为改善聚醚砜类阴离子交换膜(QPES)的离子电导率及稳定性,采用3种具有不同长度的脂肪族二胺,即N,N,N',N'-四甲基乙二胺(TMEDA)、N,N,N',N'-四甲基丙二胺(TMPDA)及N,N,N',N'-四甲基己二胺(TMHDA),通过溶液浇铸法制备了一系列自交联型季铵化聚醚砜阴离子交换膜(CQPES).交联膜的抗溶剂性能显著增强,在膜面方向的尺寸稳定性、机械性能、耐水解稳定性及耐碱稳定性均得到了提高,同时离子电导率保持在较高的水平.CQPES膜的性能与二叔胺的结构有较大的关系,以TMHDA为交联剂的CQPES膜离子电导率、耐水解稳定性及耐碱稳定性优于以TMEDA及TMPDA为交联剂的体系.如IEC为1.45 mmol/g的CQPES-H-0.5膜,在30℃时吸水率为43%,尺寸变化率小于10%;在30℃及60℃的水中的电导率分别达到17 m S/cm及64 m S/cm.在稳定性测试方面,CQPES-H-0.5膜经过100℃水处理24 h后重量损失为3.8%,4 mol/L的Na OH溶液室温处理168 h后,离子电导率损失为21%;而相同条件下非交联处理的QPES膜分别为12%及40%.CQPES-H-0.5膜显示了良好的性能,有望在燃料电池系统中得到应用.
将4种具有不同自由离子的离子交换膜,即阳离子交换膜的H+型(CEM-H)和Na+型(CEM-Na)、及阴离子交换膜的Cl-型(AEM-Cl)和OH-型(AEM-OH),作为分离膜应用于微生物燃料电池(MFC)。结果表明,4种膜的电导率呈顺序为CEM-H>CEM-Na>AEM-OH>AEM-Cl,与之相对应的MFC产电性能呈相同的顺序。采用CEM-H的MFC产电性能最好,最大功率密度可达899 m W/m2;同时膜性能的不同导致MFC的库伦效率、阳极p H等存在差异。电化学阻抗谱(EIS)研究表明,在电池运行过程中阴离子交换膜的污染造成了较大的内阻,严重影响了其MFC的产电性能。
采用芳香亲核取代反应及溶液铸膜法,制备了一系列具有不同离子交换容量(IEC)的侧链型磺化聚芳醚砜(s SPFAE)阳离子交换膜,并作为分离膜应用于微生物燃料电池(MFC).研究了s SPFAE膜在双室MFC中产电性能并与商用阳离子交换膜进行了对比.s SPFAE膜的IEC为0.97~1.56 mmol/g,厚度约为80μm,在30℃时吸水率为20.9%~41.7%,电导率达到27.3~60.5 m S/cm,高于商用膜(22 m S/cm,420μm).对采用s SPFAE膜的MFC,根据峰功率密度法及极化曲线斜率法得到的MFC内阻约为29~64Ω,随着IEC的升高而降低,库伦效率达到47.7%~55%,其中s SPFAE-1.56膜的最大功率密度达到657.3 m W/m^2,且s SPFAE膜均表现出优于商用膜的产电性能.利用模拟等效电路对整个MFC系统进行EIS分析,结果表明阳极扩散内阻占这类MFC系统总内阻的87%~90%.结合循环伏安曲线、电化学阻抗谱测试及电极电势分析结果,表明分离膜对两极室间物质传递及阳极扩散阻抗有较大的影响.
