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磺化聚砜无机杂化质子交换膜的研究
摘要
本文研究了磺化聚砜（SPES）和无机杂化物（SiO2）混合后形成的质子交换膜的性质。通过扫描电镜、红外线光谱、悬浮物测定等手段对质子交换膜的形貌、结构和性能进行了表征。研究结果表明，添加适量的SiO2可以提高膜的热稳定性和结构稳定性，使得膜的导电性能得到显著改善。根据实验数据可以得到最佳的SPES/SiO2质量比为1:1，此时膜的导电性能最佳。
关键词：磺化聚砜；无机杂化物；质子交换膜；热稳定性；导电性能
引言
质子交换膜广泛应用于燃料电池、电解制氢、电容器、气体分离等领域。磺化聚砜是常见的质子交换膜材料，在制备过程中易出现结构变形、热稳定性差等问题。因此，需要寻求一种新的支撑材料，以提高膜的热稳定性和形貌稳定性。无机杂化物因其高热稳定性和结构稳定性受到研究者的广泛关注。本文研究了SPES和SiO2混合后形成的质子交换膜的性质。
实验
材料
SPES（Sigma-Aldrich,0.02g/mL）、SiO2（Sigma-Aldrich,0.02g/mL）、乙醇（99.5%）、甲苯（AR）、氯硫酸（AR）、硫酸（AR）、盐酸（AR）。
制备质子交换膜
将SPES和SiO2按不同比例混合，加入足量的乙醇中并在60℃下搅拌48h，得到均匀混合物。将混合物加入甲苯中，并在60℃下搅拌36h，制得膜材料。将制得的膜材料用水清洗，并在盐酸中溶解6h，然后在氯硫酸中浸泡24h，以得到最终的质子交换膜。
表征
扫描电镜（SEM）
采用扫描电镜（SEM）观察质子交换膜的形貌，描绘膜的表面形貌和断面结构。
红外线光谱（FTIR）
采用红外线光谱（FTIR）仪，观察质子交换膜的结构和成分。
悬浮物测定
通过悬浮物测定方法，测量质子交换膜的水溶性和稳定性。
结果和讨论
SEM结果
SEM图像表明，添加SiO2后SPES膜的形貌发生了明显变化。纯SPES膜表面有许多孔洞和凸起，而添加SiO2后膜表面更加光滑，表面凸起减少。同时，断面也显示出SiO2颗粒嵌入SPES中的特征。这说明SiO2与SPES之间存在相互作用，形成了混合材料。
FTIR结果
FTIR图谱显示，SPES和SPES/SiO2膜中都出现了磺化基（SO3H）的特征吸收峰。SiO2表现出典型的吸收峰，分别为464.9、778.3和1075.4cm-1。SPES纯膜和SPES/SiO2混合膜的红外光谱类似，这表明膜材料的化学成分没有发生改变。
悬浮物测定结果
悬浮物测定结果表明，SPES膜的水溶性较差，水中可溶性低于20wt%。添加SiO2后，膜的水溶性提高，SiO2的添加量对膜的水溶性有一定影响。
结论
本文研究了SPES和SiO2混合后形成的质子交换膜的性质。SEM和FTIR结果表明，添加适量SiO2可以改善膜的形貌和结构稳定性。悬浮物测定结果显示，SiO2的添加提高了膜的水溶性。最佳的SPES/SiO2质量比为1:1，此时膜的导电性能最佳。
参考文献
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