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| DC 欄位 | 值 | 語言 |
|---|---|---|
| dc.contributor.advisor | 趙基揚(Chi-Yang Chao) | |
| dc.contributor.author | Kun-lin liu | en |
| dc.contributor.author | 劉昆霖 | zh_TW |
| dc.date.accessioned | 2021-06-15T06:00:17Z | - |
| dc.date.available | 2010-08-17 | |
| dc.date.copyright | 2010-08-17 | |
| dc.date.issued | 2010 | |
| dc.date.submitted | 2010-08-17 | |
| dc.identifier.citation | 參考文獻1-4726, 48-85
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| dc.identifier.uri | http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/47448 | - |
| dc.description.abstract | 為進一步提升直接甲醇燃料電池(DMFC)與高溫氫氣燃料電池(PEMFC)的效率,近年來有機無機複合質子傳導膜的研究因而蓬勃發展,因其可有效降低質子傳導膜的甲醇滲透率並維持高溫低濕環境下的質子傳導特性。然而,摻混於複合膜內的無機奈米粒子通常具有低質子傳導度及分散不易的缺點;因此,製備具有良好質子傳導度及良好分散特性的無機奈米顆粒實為進一步提升複合膜特性的重要課題。在眾多無機材料當中,磷酸鋯(Zirconium phosphate, ZrP)為一近年來常被研究的添加物,因其具有些許的質子傳導度、良好的化學安定性及合成容易的特性。
為避免磷酸鋯奈米顆粒的聚集並提升其複合膜的質子傳導度,我們嘗試將磷酸鋯以磺酸化聚苯乙烯進行修飾,利用磺酸根以提升質子傳導度,同時以磺酸化聚苯乙烯在水中及鹼性有機溶劑的良好溶解度及本身的立體障礙而幫助奈米粒子的分散。製備方法是將帶有磷酸根的原子轉移自由基聚合(atom transfer radical polymerization, ATRP)起始劑或穩定自由基聚合(nitroxide mediated polymerization, NMP)起始劑和ZrOCl2與磷酸以原位化學法(in-situ method)反應得到起始劑修飾的磷酸鋯,接著以 ATRP或是NMP進行苯乙烯的活性聚合反應得到複合奈米粒子,並將此奈米複合材料進行磺酸化以得到磺酸化聚苯乙烯修飾的磷酸鋯。在本論文中,我們改變反應條件以得到含有不同組成及不同尺寸的起始劑修飾的磷酸鋯,並控制單體之進料比及反應時間以得到不同高分子鏈段長度的複合奈米粒子;這些奈米粒子會因聚苯乙烯分子量的不同而形成核殼(core-shell)結構或脫層(exfoliated)結構。 將磺酸化程度為10 mol%,聚苯乙烯分子量為85kg/mol的核殼結構複合粒子添加於Nafion基材內以形成複合膜,可發現複合膜的吸水率、質子傳導度及離子交換性質(IEC)隨著複合粒子之添加比例的增加有先升後降的趨勢,且隨著添加比例越高則抵擋甲醇穿透的能力越佳。我們發現在複合粒子添加比例為2.5 wt%時,其複合膜表現出最好的選擇性(selectivity),為Nafion® 117選擇性之3倍。 | zh_TW |
| dc.description.abstract | In order to improve the efficiency of direct methanol fuel cells (DMFC) and proton exchange membrane fuel cells (PEMFC), the researches on the organic/inorganic composite proton exchange membranes were dramatically increased recently for the capability to lower the methanol permeability and retain high proton conductivity at high temperature and low relative humidity. However, many of the inorganic additives exhibited low proton conductivity and difficulty in homogeneous dispersion of the nanoparticles within the membrane. Therefore, the preparation of inorganic nanofillers having good proton conductivity and capability of homogeneous dispersion is critical for the improvement of the composite membranes. Among various inorganic fillers, zirconium phosphate (ZrP) has shown good potential due to its moderate proton conductivity, excellent thermal and chemical stability as well as feasible syntheses.
To further suppress the aggregation of the zirconium phosphate nanoparticles and to simultaneously enhance the proton conductivity of the corresponding composite membranes, ZrC was modified with sulfonated polystyrene (sPS) to form ZrC-sPS nano-composites since the sulfonic acids in sPS could enhance the proton conductivity and promote the dispersion owing to the good solubility of sPS in water and basic solvents and the steric repulsion of sPS. Atom transfer radical polymerization (ATRP) initiators or nitroxide-mediated polymerization (NMP) initiators decorated with phosphonic acids in-situ reacted with ZrOCl2 and H3PO4 to afford initiator-modified ZrC. Living radical polymerization via NMP or ATRP of styrene was proceeded to afford ZrC-PS; and followed by post-sulfonation to obtain ZrC-sPS. In this thesis, we varied the reaction parameters to obtain the initiator-modified ZrC with different chemical compositions and sizes. We also controlled the feed ratios between the initiator-modified ZrP and the monomers as well as reaction times to obtain ZrC-PS composites carrying different polymer chain lengthes. These ZrC-PS composites showed morphologies in either core-shell particles or exfoliated layer arrangements. Composite membranes containing Nafion® and ZrC-sPS with 10 mol% of degree of sulfonation were prepared via solvent casting. The water uptake, the proton conductivity and the ion exchange capacity of the composite membranes increased first and then decreased with the loading of ZrC-sPS while the methanol permeability was suppressed. The composite membrane with 2.5wt% of ZrC-sPS exhibited the highest selectivity as triple as that of Nafion. | en |
| dc.description.provenance | Made available in DSpace on 2021-06-15T06:00:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ntu-99-R96527046-1.pdf: 8149436 bytes, checksum: e591a240f439161a56843db568aba284 (MD5) Previous issue date: 2010 | en |
| dc.description.tableofcontents | 目錄
致謝 I 中文摘要 II Absrtact III 圖目錄 VIII 表目錄 XI 導論 1 1.1 燃料電池簡介 1 1.2質子交換膜燃料電池 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel cell ,PEMFC ) 與直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell , DMFC)的基本原理 3 1.3質子傳導膜常用之高分子電解質 5 1.3.1親水性無機物及其複合膜 9 1.3.2異性聚合酸(Heteropolyacid)及其複合膜(Heteropolyacid-filled membrane) 9 1.3層狀磷酸化合物及層狀金屬磷化物 10 1.4磷酸鋯(Zirconium phosphate)的結構及其衍生物 11 1.4.1磷酸鋯的插層(intercalation)與脫層(exfoliation) 13 1.5具有表面修飾的無機奈米粒子 20 1.6活性自由基聚合法 (Living free radical polymerization) 24 1.6.1 ATRP聚合反應 (Atom transfer radical polymerization) 25 1.6.2 NMP 聚合反應(Nitroxide-mediated polymerization) 25 1.7 研究目的 27 第二章 實驗步驟與原理 29 2.1 實驗藥品 29 2.2 ZrP及其複合粒子之製備 32 2.2.1α態磷酸鋯(α-ZrP)之製備 30 2.2.2 ATRP起始劑PC8Br與起始劑修飾之ZrP(ZrP-C8Br,ZrC)之製備 31 2.2.3以ATRP製備複合粒子ZrC-Ps 33 2.2.4 NMP起始劑H2PO4-TEMPO與起始劑修飾之ZrP(ZrP-TEMPO)之製備 33 2.2.5以NMP製備ZrP複合粒子 34 2.3複合粒子之磺酸化(sulfonation) 34 2.4薄膜製備(membrane casting) 36 2.5儀器製備與鑑定 36 2.5.1 核磁共振光譜儀 36 2.5.2 傅立葉紅外線光譜儀 36 2.5.3 X光繞射儀 (Xray diffraction,XRD) 37 2.5.4 穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Micoscopy , TEM) 37 2.5.5 X光光電子儀(Xray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 37 2.5.6 熱重分析儀(Thermo gravimetric analyzer, TGA) 38 2.5.7 膠凝滲透層析儀(Gel Permeation Chromotography) 38 2.6 質子傳導膜性質分析 38 2.6.1 交流阻抗分析儀(AC Impedance) 38 2.6.2 吸水率(water uptake) 39 2.6.3 甲醇滲透(Methanol Crossover , MOC) 39 2.6.4 離子交換容量(ion exchange capacity,IEC) 40 第三章 結果與討論 41 3.1 Zirconium phosphate 41 3.2 PC8Br之合成 42 3.3 ZrP-C8Br之合成 …………….…………………………………………..43 3.3.1 ZrP-C8Br之XRD分析 …………….……………………………………..43 3.3.2 ZrP-C8BrTEM圖與粒徑分析 ….…………………………………………47 3.3.3 ZrP-C8Br之FT-IR分析 50 3.3.4 ZrP-C8Br之熱重損失(TGA)分析 50 3.3.5 ZrP-C8Br之X光光電子儀分析 (XPS) 52 3.4 以ATRP聚合反應製備ZrC-Ps 54 3.5 ZrC-Ps奈米複合材料之結構 60 3.6 ZrC-Ps奈米複合材料之熱性質分析 70 3.7 ZrC-sPs /Nafion 複合膜之製備與分析 74 3.8H2PO4-TEMPO之合成 78 3.9 ZrP-TEMPO之合成 81 3.10 ZrP-TEMPO的NMP聚合反應 84 第四章 結論 86 參考文獻 88 圖目錄 圖1-1 直接甲醇燃料電池運作示意圖 4 圖1-2 Nafion 內部微結構示意圖 5 圖1-3 FEP-g-SPS 及PVDF-g-SPS之化學結構 6 圖1-4 sulfonated PPS、PPO及sulfonated SPEEK 之化學結構 7 圖1-5 SSEBS 及HPBS之化學結構 8 圖1-6 α態磷酸鋯的(010)投影圖 13 圖1-7 ZrSPP 之化學結構 13 圖1-8 α態磷酸鋯的化學結構(a)單位晶胞 (b) (002)投影圖 13 圖1-9 層狀結構之插層及脫層形態 15 圖1-10 不同結晶度純ZrP下之表面形態(a) ZrP(3M) (b) ZrP(6M) 16 圖1-11 經過M715插層處理後之ZrP XRD圖譜(a) ZrP(3M) (b) ZrP(6M) 16 圖1-12 Hexylamine 、cyclohexylamine及melamine之化學結構 17 圖1-13 在高結晶度(左圖)及低結晶度(右圖)之ZrP的插層機制示意圖 18 圖1-14 Sulfanilic acid 和ZrP進行原位化學反應 18 圖1-15 PAM/ZrP複合材料之化學結構及TEM圖 18 圖1-16 製備Zr(AbPO3)x(EtPO3)2-x 之流程圖 19 圖1-17 不同聚合時間所得之PMMA/ZrP隨之XRD圖譜(左圖)及聚合前後之TEM圖(右圖) 20 圖1-18 以NMP製備polystyrene/TiO2 之TEM 22 圖1-19 以NMP聚合反應製備Polystyrene/silicate反應流程(左)及TEM圖(右) 22 圖1-20 Polystyrene/Silicate之XRD圖 23 圖1-21 以ATRP製備polystyrene/SiO2之合成流程及隨聚合反應時間遞增之PS/SiO2TEM圖 23 圖1-22 Oleic acid及Br-MPA之化學結構 23 圖1-23 以ATRP製備Polystyrene/ Fe2O3 之TEM圖。(a)為修飾後之Fe2O3;(b)為發生聚合後之Fe2O3 24 圖1-24 活性自由基聚合反應機制 25 圖1-25 ATRP反應機制 25 圖1-26 以NMP製備Polystyrene 26 圖1-27 TEMPO衍生物 27 圖2-1 ZrP-C8Br與其複合例子之製備 32 圖2-2 ZrP-TEMPO與其複合粒子之製備流程 35 圖2-3 AC Impedance測試槽裝置圖 (A): 參考電極1; (B):輔助電極; (C):彈簧; (D):薄膜試樣; (E):參考電極2; (F):工作電極 39 圖2-4 甲醇滲透裝置圖 40 圖3-1 α-ZrP 的XRD圖譜 41 圖3-2 α-ZrP 的FT-IR圖譜 41 圖3-3 C8Br的1H-NMR圖譜 42 圖3-4 PC8Br的1H-NMR圖譜 43 圖3-5 ZrP-C8Br之XRD圖譜 44 圖3-6 起始劑的插層模型 46 圖3-7 ZrP 之TEM圖 47 圖3-8 ZrC-2之TEM圖 48 圖3-9 ZrC-1.5之TEM圖 48 圖3-10 ZrC-1之TEM圖 48 圖3-11 ZrC-0.5之TEM圖 49 圖3-12 ZrC-3之TEM圖 49 圖3-13 PC8Br及ZrP-C8Br FT-IR圖譜 50 圖3-14 ZrC之 TGA圖 51 圖3-15 ZrC-1及ZrC-3 TGA圖 52 圖3-16 ZrC系列之XPS wide scan光譜 53 圖3-17 ZrC-0.5 C 1s 軌域之光譜 54 圖3-18 Pst-PC8Br反應時間24小時之GPC 數據 55 圖3-19 除去無機物部份後PS之 XPS光譜 56 圖3-20 C2-PS系列PS之GPC圖 59 圖3-21 C1.5-PS系列PS之GPC圖 59 圖3-22 C1-PS系列PS之GPC圖 59 圖3-23 C0.5-PS系列PS之GPC圖 59 圖3-24 C2-PS系列之XRD圖譜 61 圖3-25 C2-10k 之TEM圖 61 圖3-26 C2-90k 之TEM圖 62 圖3-27 C-165k 之TEM圖 62 圖3-28 C1.5-PS系列之XRD圖譜 63 圖3-29 C1.5-27k 之TEM圖 64 圖3-30 C1.5-50k 之TEM圖 64 圖3-31 C1.5-90k之TEM圖 64 圖3-32 ZrC1-Ps 系列之XRD圖譜 65 圖3-33 C1-10k 之TEM圖 66 圖3-34 C1-45k 之TEM圖 66 圖3-35 C1-85k 之TEM圖 67 圖3-36 ZrC0.5-PS 系列之XRD圖譜 67 圖3-37 C0.5-12k之TEM圖 68 圖3-38 C0.5-38k 之TEM圖 69 圖3-39 ZrC0.5-PS之TEM圖 69 圖3-40 ZrC2-PS系列TGA圖 70 圖3-41 C1.5-PS系列TGA圖 71 圖3-42 C1-PS 系列TGA圖 71 圖3-43 C0.5-PS 系列TGA圖 72 圖3-44 Td v.s. Mn作圖 73 圖3-45 Ps及ZrC-SPs之FT-IR圖譜 74 圖3-46 以不同比例混參Nafion之sPS/N及C1-s80k/N複合膜之吸水率比較圖 76 圖3-47 sPS/N及C1-s80k/N複合膜之離子交換能力比較圖 76 圖3-48 sPS/N及C1-s80k/N複合膜之質子傳導度比較圖 77 圖3-49 sPS/N及C1-s80k/N複合膜之吸水率比較圖 77 圖3-50 sPS/N、C1-s80k/N及Nafion複合膜之選擇性(selectivity)比較圖 78 圖3-51 Bz-TEMPO的 1H-NMR圖譜 80 圖3-52 OH-TEMPO的1H-NMR圖譜 80 圖3-53 H2PO4-TEMPO的1H-NMR圖譜 81 圖3-54 H2PO4-TEMPO的31P-NMR圖譜 81 圖3-55 α-ZrP和ZrP-TEMPO的XRD圖譜 82 圖3-56 ZrC和ZrP-TEMPO的XRD圖譜 83 圖3-57 ZrP-TEMPO的TEM圖 83 圖3-58 α-ZrP及ZrP-TEMPO之TGA數據 84 圖3-59 ZrP-TEMPO-PS的NMP聚合反應的GPC圖 85 圖3-61 ZrP-TEMPO的NMP隨時間聚合反應的GPC圖 86 圖3-62 TEMPO-PS之TEM圖 86 表目錄 表1-1 燃料電池種類 2 表3-1 ZrC之晶體結構及粒徑大小 43 表3-2 ZrC之化學組成 52 表3-3 ZrC之化學組成 54 表3-4 ZrC-PS的PS理論分子量與GPC所測得之分子量 58 表3-5 ZrC-Ps 之熱裂解性質 72 表3-6 ZrC-sPS及ZrC-sPS/Nafion之性質 75 表3-7 NMP反應條件及GPC數據總整理 86 | |
| dc.language.iso | zh-TW | |
| dc.subject | 質子傳導膜 | zh_TW |
| dc.subject | 直接甲醇燃料電池 | zh_TW |
| dc.subject | 磷酸鋯 | zh_TW |
| dc.subject | direct methanol fuel cell(DMFC) | en |
| dc.subject | proton exchange membrane | en |
| dc.subject | zirconium phosphate | en |
| dc.subject | composite membrane | en |
| dc.subject | Nafion | en |
| dc.title | 磷酸鋯 磺酸化聚苯乙烯複合粒子在質子傳導膜上之應用 | zh_TW |
| dc.title | Zirconium Phosphate-Sulfonated Polystyrene Composite Particles and Their Uses in Proton Exchange Membranes | en |
| dc.type | Thesis | |
| dc.date.schoolyear | 98-2 | |
| dc.description.degree | 碩士 | |
| dc.contributor.oralexamcommittee | 劉英麟(Yin-lin liu),林金福(Kim-fu lin),廖文彬(Wen-bin Liau) | |
| dc.subject.keyword | 磷酸鋯,直接甲醇燃料電池,質子傳導膜, | zh_TW |
| dc.subject.keyword | zirconium phosphate,direct methanol fuel cell(DMFC),Nafion,proton exchange membrane,composite membrane, | en |
| dc.relation.page | 108 | |
| dc.rights.note | 有償授權 | |
| dc.date.accepted | 2010-08-17 | |
| dc.contributor.author-college | 工學院 | zh_TW |
| dc.contributor.author-dept | 材料科學與工程學研究所 | zh_TW |
| 顯示於系所單位: | 材料科學與工程學系 | |
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