具咪唑鹽團聯高分子之陰離子傳導膜的開發與製備

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王偉豪(Wei-Hau Wang) 查詢紙本館藏

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化學學系

論文名稱

具咪唑鹽團聯高分子之陰離子傳導膜的開發與製備
(Synthesis and Characterization of Novel Anion Exchange Membrane Based on Imidazolium-Functionalized Block Copolymer for Solid Alkaline Fuel Cells)

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摘要(中)

本研究引入團聯共聚物 (block copolymer) 的概念，將高分子以原子轉移自由基聚合反應 (ATRP, Atom Transfer Radical Polymerization) 分兩階段聚合：第一段是聚合 styrene而得到poly(styrene)-Br，第二段則是聚合帶有咪唑鹽 (imidazolium group) 的 [VBMI][BF4] (1-(4-vinylbenzyl)-3-methyl-imidazolium tetrafluoroborate) 而得到團聯共聚物 poly(styrene-b-[VBMI][BF4])。藉由調控第二段 [VBMI][BF4] 的聚合時間而得到不同長度的親水端。此系列高分子薄膜在常溫去離子水中導電度最高有 0.074 S/cm，在 1M KOH 水溶液中導電度最高則有 0.107 S/cm 的表現，有望可應用在固態鹼性燃料電池當中。

摘要(英)

The hydroxide-conducting block copolymer membranes were synthesized by two steps. Firstly, atom transfer radical polymerization (ATRP) of styrene gave poly(styrene)-Br as a macroinitiator. Secondly, poly(styrene-b-[VBMI][BF4]) were synthesized by ATRP using the above macroinitiator with [VBMI][BF4], 1-(4-vinylbenzyl)-3-methyl- imidazolium tetrafluoroborate. Via controling the reaction time and temperature of the second ATRP, different ratio (hydrophobic block and hydrophilic block) of block copolymers were synthesized. At room temperature, the highest conductivity of the membranes can reach up to 0.074 S/cm (under DI H2O) and 0.107 S/cm (under 1M KOH solution). The results exhibit these block ionomeric membranes are potential new type anion exchange membranes in SAFCs (solid alkline fuel cells).

關鍵字(中)

★ 陰離子傳導膜
★ 咪唑鹽
★ 團聯高分子

關鍵字(英)

★ Block Copolymer
★ Imidazolium-Functionalized
★ Anion Exchange Membrane

論文目次

中文摘要 i
Abstract ii
謝誌 iii
目錄 iv
表目錄 viii
圖目錄 x
Scheme xii
Equation xiii
附錄目錄 xiv
第一章緒論 1
1-1 前言 2
1-2 燃料電池簡介 3
1-3 燃料電池種類 8
1-3-1 質子交換膜燃料電池 (PEMFCs) 8
1-3-2 磷酸燃料電池 (PAFCs) 10
1-3-3 固態氧化物燃料電池 (SOFCs) 11
1-3-4 熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFCs) 12
1-3-5 鹼性燃料電池 (AFCs) 14
1-3-6 固態鹼性燃料電池 (SAFCs) 15
第二章文獻回顧 20
2-1 陰離子交換膜簡介 21
2-2 陰離子交換膜種類 22
2-3 陰離子交換基團的穩定性 30
2-4 原子轉移自由基聚合反應 35
2-5 研究動機 36
第三章實驗與原理 39
3-1 實驗藥品 40
3-1-1 實驗所使用之化學藥品 40
3-1-2 藥品的純化 41
3-1-3 實驗所使用之溶劑 41
3-1-4 溶劑除水的部分 41
3-2 實驗儀器及技術原理 42
3-2-1 核磁共振光譜儀 (Nuclear Magnetic Resonance) 42
3-2-2 熱重分析儀 (Thermal Gravimetric Analysis, TGA) 43
3-2-3 交流阻抗儀 (Alternating Current Impedance) 43
3-2-4 吸水膨潤比 (W.U.) 與尺寸變化率 (S.R.) 45
3-2-5 離子交換容量 (IEC, Ion Exchange Capacity) 46
3-2-6 傅立葉轉換紅外線光譜儀 (JASCO FT/IR-4100) 46
3-2-7 化學穩定性 (Chemical Stability) 47
3-3 高分子合成後處理 47
3-3-1 高分子薄膜的製備 47
3-3-2 高分子薄膜的鹼化 48
3-4 合成步驟 48
3-4-1. 4-vinylbenzyl imidazole, VBI (1) 的合成 48
3-4-2. 1-(4-vinylbenzyl)-3-methyl-imidazolium chloride, [VBMI]Cl (2) 的合成 49
3-4-3. 1-(4-vinylbenzyl)-3-methyl-imidazolium tetrafluoroborate, [VBMI][BF4] (3) 的合成 50
3-4-4. Poly(styrene)-Br (4)的合成 50
3-4-5. Poly(styrene)-b-poly([VBMI][BF4]) (5)的合成 51
第四章結果與討論 53
4-1 合成方式及討論 54
4-1-1 第一種合成策略 55
4-1-2 第二種合成策略 56
4-2 陰離子的置換 58
4-2-1 [VBMI]Cl 置換為 [VBMI][BF4] 58
4-2-2 高分子薄膜的鹼化 59
4-3 Poly(styrene)-b-poly([VBMI][BF4]) 系列性質探討 60
4-3-1 1H 核磁共振光譜結構探討 62
4-3-2 離子交換容量 (IEC, Ion Exchange Capacity) 64
4-3-3 吸水膨潤比 (W.U.) 與尺寸變化率 (S.R.) 66
4-3-4 離子傳導度 (Ion Conductivity) 69
4-3-5 熱穩定性 (Thermal Stability) 70
4-3-6 化學穩定性 (Chemical Stability) 72
第五章結論 74
參考文獻 77
附錄 82

參考文獻

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指導教授

陳銘洲(Ming-Chou Chen)

審核日期

2012-7-24

推文