导读:本文包含了质子传输论文开题报告文献综述及选题提纲参考文献，主要关键词:微生物电化学系统,阳极,微小孔隙,传质现象
质子传输论文文献综述
胡琳彬[1]（2018）在《微生物燃料电池阳极生物膜成膜及质子传输特性研究》一文中研究指出随着社会的发展和科学技术的进步,能源以及环境问题逐渐成为人类在二十一世纪面临的两大挑战,严重制约着人类的生存和社会的可持续发展。近年来,传统化石能源的大量使用不仅使得化石能源日益枯竭,还严重污染了环境。同时,环境问题特别是水污染问题也变得日益严重,而目前在污水处理行业,以传统的方式处理废水一直处于“高投入,零产出”状态。因此,为保证社会的可持续发展,寻找新型清洁能源和新的污水处理工艺已成为当务之急。在此背景下,微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)技术应运而生,并逐渐发展起来。MFC技术采用微生物作为阳极催化剂,将废水中有机物的化学能转化为电能,在处理污水的同时又产生了电能,是一种清洁无污染的可再生能源装置。MFC由于其在处理污水的同时能够产生电能的这一独特优势,因而受到国内外学者们的广泛关注。然而,目前MFC输出功率较低,产电性能不高的问题成为了其商业化应用的一大瓶颈。在影响MFC产电性能的众多因素中,阳极性能起到了极为重要的作用。本文从工程热物理的角度出发,针对MFC阳极中底物及产物的传质问题,对阳极生物膜内部、阳极微小孔隙内部的H~+传输特性以及电池阴阳两极由于H~+跨膜传输造成的水传输现象进行研究。分别研究了以碳纸为阳极材料的微生物电化学系统阳极生物膜内部氢离子的传质特性、以石墨棒为电极单元构建的叁维阳极石墨棒阵列内部的氢离子传质特性、以碳刷为电极材料构建的双室微生物燃料电池阴阳两极间的水传输特性。本文主要研究成果如下:1.微生物电化学系统(BES)阳极生物膜内传质现象的研究构建了以碳纸为阳极材料的微生物电化学系统,启动完成后对阳极生物膜内的传质现象进行研究。通过对微生物阳极用循环伏安法进行扫描测试、电化学阻抗测试以及生物膜形貌分析,研究了阳极生物膜内部的传质特性。研究结果表明:运用循环伏安法对微生物阳极进行测试时,使用不同的扫速或者同一扫速不同圈数情况下,阳极的循环伏安曲线(CV曲线)各不相同,扫描速度越小,CV曲线中氧化电流到达峰值后下降越严重。无底物条件下,最大峰电流与扫速的平方根成正比;电化学阻抗测试表明微生物阳极的传质内阻远大于欧姆内阻和传荷内阻。2.微小孔隙(0.5 mm)内部活性生物膜成膜及pH分布研究本实验使用石墨棒(直径0.9 mm),POM板,PTFE硬管构建了毫米级别孔隙的叁维阳极阵列(10×10),相邻两根石墨棒间距(孔隙大小)为0.5 mm,研究了毫米级别孔隙的叁维阳极阵列不同区域的电流分布、内阻分布、pH分布、生物膜氧化底物时的电子传递方式以及生物膜形貌。研究结果表明:叁维阳极阵列从外向内,产电电流不断减少;欧姆内阻和传质内阻基本相同,传质内阻逐渐增大;pH值不断降低;活性生物量不断减少。3.双室微生物燃料电池阴阳极间水传递特性研究本节构建了以碳刷为阴阳极材料的双室微生物燃料电池,研究了由于H~+跨膜运输导致的“电渗拖拽”作用对阴阳两极间水传递现象的影响。研究结果表明,双室MFC阴阳两极间的水传输现象与放电电流强度、阴阳两极磷酸缓冲液(PBS)浓度以及质子交换膜厚度密切相关。放电电流越大、阳极PBS溶液浓度相对于阴极PBS溶液浓度越低、质子交换膜厚度越薄,阴阳极间水传输量越大。(本文来源于《重庆大学》期刊2018-04-01）
蒋颖健[2]（2018）在《勃姆石的质子传输的动力学模型》一文中研究指出质子交换膜燃料电池因其能量密度高、污染小等特征而受到人们的广泛关注。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心部件,在成本控制和性能优化中占据重要地位。当前商用的质子交换膜面临工作温度低,严重依赖水合条件,成本高昂等问题。这些问题大大限制了质子交换膜燃料电池的发展。根据质子交换膜的传输机理,氢键对质子传输具有重要作用,因此那些含有合适氢键结构的材料有望成为新一代的质子交换膜材料。勃姆石(boehmite,化学式:γ-AlOOH)具有明显的分层结构,由Al-O键层和氢键层交替堆垛而成。氢键通过氢供体氧原子和氢受体氧原子连接而成。氢键链有可能成为氢原子高速传输的通道,然而现有的衍射实验手段仅可以确定铝和氧原子的位置,但无法确定氢原子的位置,继而无法研究勃姆石中质子传输的机理。本文在应用第一性原理计算研究勃姆石Cmc2_1、Pmc2_1、Pca2_1叁种可能的晶体结构的热力学稳定性的基础上,利用过渡态理论计算勃姆石完美和含H空位晶体结构的质子传输的能垒。旨在明确勃姆石的结构,为其用于质子交换膜材料提供关键数据和理论依据。本课题中所有的计算都是以密度泛函理论为基础,通过VASP软件包来完成的。本论文研究的主要结论如下:(1)勃姆石的Cmc2_1,Pmc2_1,Pca2_1叁种空间结构的主要区别在于氢键的位向不同,叁者具有相同的热力学稳定性。勃姆石结构中的氢键链对同层氢键链和相邻层氢键链的影响可以忽略。(2)在勃姆石完美晶体结构的质子传输的理论模型中,主要发生了伸展模式和摆动模式羟基位向的变化。伸展模式的能垒低于摆动模式的能垒,范德华力对于伸展模式的影响更为显着。两种模式的质子传输完全可以通过室温下的热扰动实现,勃姆石晶体结构从Cmc2_1到Pmc2_1结构的转变在室温下是十分容易的,推测实验中观测到的Cmcm结构是几种勃姆石晶体结构在时间上的平均效果。(3)在勃姆石含H空位晶体的质子传输的理论模型中,最高能垒为14.09kJ·mol~(-1),低于勃姆石完美晶体结构中的质子传输能垒:20.68 kJ·mol~(-1)。实际勃姆石晶体结构空位缺陷更多,预期其发生质子传输的能垒更低,在质子交换膜上的应用具有可行性。本课题的研究对改进勃姆石及类似晶体的表征手段,以及研究勃姆石在质子交换膜领域的应用有重要意义。(本文来源于《上海大学》期刊2018-03-01）
郜玉娇,孙超,王娟,赵欣[3]（2018）在《Y186F突变对光受体蛋白古紫质-4质子传输和能量转换的影响》一文中研究指出光驱动质子泵是一类以视黄醛为主要发色团的七-跨膜光敏受体蛋白,其功能是利用质子由胞内输送到胞外所形成的氢离子浓度梯度,通过ATP的合成将光能转化为化学能。本研究以细菌古紫质-4(archaerhodopsin-4,a R4)为研究对象,旨在探究位于视黄醛结合口袋的芳香性残基酪氨酸186(Y186)对其质子泵功能以及能量转换效率的影响。利用重迭延伸PCR技术构建Y186F~L33-a R4突变体,并通过紫外-可见光吸收光谱、动力学瞬态吸收光谱以及ATP生成率测定等手段,对RC~L33-a R4(recombinant a R4)和Y186F~L33-a R4突变体进行对比研究。研究表明,相较于RC~L33-a R4,Y186F~L33-a R4突变体的紫外-可见光谱最大吸收峰发生了4 nm的蓝移,M中间态寿命延长了约5倍,O中间态寿命则延长了约2倍,同时突变之后造成了质子泵功能的明显减弱。此外,相较于重组RC~L33-a R4菌株,Y186F~L33-a R4突变体菌株的ATP生成率约降低了36.5%。因此可以判定,位于视黄醛结合口袋的Y186是一个对质子传输和能量转换起重要作用的芳香性残基(本文来源于《基因组学与应用生物学》期刊2018年02期）
马丽英[4]（2017）在《超支化高选择性质子交换膜中多级自组装质子传输通道原位构建及优化研究》一文中研究指出质子交换膜广泛应用于电化学能量转化装置,包括质子交换膜燃料电池(含直接甲醇燃料电池)、SPE水电解及钒氧液流电池中。由于具有良好的质子传导性、强的机械性能、抗氧化性和热稳定性,Nafion膜成为目前应用最广泛的质子交换膜。但是,Nafion膜存在选择透过性差的问题影响了其在直接甲醇燃料电池和钒氧液流电池中的大规模应用。Nafion膜选择透过性差在直接甲醇燃料电池应用中将导致严重的甲醇燃料渗透。直接甲醇燃料电池在工作过程中,由于Nafion膜的阻醇性能不好,甲醇分子很容易从阳极穿透膜到达阴极,不仅造成甲醇燃料的浪费,同时严重抑制了阴极的氧还原反应,从而导致电池工作电压和电池效率下降。因此,可以说高选择性质子交换膜的缺乏是影响直接甲醇燃料电池发展的绊脚石。而开发选择性好,价格低廉的新型质子交换膜是直接甲醇燃料电池发展的关键。同样,Nafion膜的选择性也影响了钒氧液流电池的发展进程。虽然Nafion膜极好的化学稳定性使其成为当前钒氧液流电池应用中主流膜。然而,Nafion膜存在的高的钒离子渗透性使得由Nafion膜组装的钒氧液流电池的电压效率、库仑效率和能量效率都较低。总的来说,设计和开发高选择性质子交换膜是当前直接甲醇燃料电池和钒氧液流电池领域的主要研究课题。高度有序的质子传输通道是保证质子高效传导,提高质子交换膜选择性的重要前提。所以,构筑高选择性质子传输通道是质子交换膜方向的最重要的研究课题。本论文通过调节质子传输功能聚合物微观结构实现质子传输通道在质子交换膜中的自组装,并通过优化质子交换膜中多级质子传输通道微观结构来实现质子交换膜选择性的进一步提升。具体研究内容如下所述:1、研究证实超支化聚酰胺质子交换膜可以有效地降低燃料渗透,同时提高质子传导性。此质子交换膜表现出比Nafion117高出至少15倍的阻醇性。在此基础上,本论文首次提出了一个新的概念——多级质子传输通道(HPCCs)。在这些HPCCs中,超支化聚酰胺分子内部高密度磺酸基团组成的质子传输通道称为一级质子传输通道(FOPCC)。另外,超支化聚酰胺分子封端功能基团与活化水分子间形成丰富的氢键网络被称为二级质子传输通道(SOPCC)。由于一级与二级质子传输通道之间的协同作用,超支化聚酰胺质子交换膜表现出高效的质子传输性能(0.282S/cm,80 oC)。通过调节合成超支化聚酰胺分子单体的纳米结构,实现对多级质子传输通道的优化,从而降低了质子交换膜的甲醇渗透性,同时其选择性提高了1倍多。2、在多级质子传输通道概念的基础上,本论文通过调节一级质子传输通道微观结构来进一步增强膜的阻醇性。首先合成了两种磺酸根密度不同的都以-COOH封端的聚酰胺大分子,通过将不同质量比例的两种聚合物用溶液浇铸法制备了一系列共混膜。由于两种聚酰胺大分子中的磺酸基团-SO3H密度不同,所以通过调节共混膜中两种分子比例可以实现质子交换膜中一级质子传输通道的调节,从而实现质子交换膜阻醇及选择性能的优化。3、使用类似想法,论文对多级质子传输通道中的二级质子传输通道的微观结构进行调节优化,通过温和的方法改变二级质子传输通道的氢键强度及保水性,以此来优化质子交换膜的整体性能。首先,设计并合成了以不同功能基团(-COOH和-NH2)封端,大小相似的超支化聚酰胺大分子;将这两种聚合物大分子按照不同的比例制备成复合膜。通过调整两种聚酰胺大分子的比例来调节共混膜中的二级质子传输通道的微观结构,质子交换膜的选择性比Nafion117高出1.7倍。4、基于前期设计合成的高选择性超支化聚酰胺质子交换膜,将其应用领域从直接甲醇燃料电池拓展至同样对选择性要求极高的钒氧液流电池中。超支化聚酰胺中多级质子传输通道形成的致密结构有效阻止了钒离子穿透。与Nafion117膜相比,超支化聚酰胺质子交换膜表现出良好的的质子/钒离子选择性,高达14.4×104S.s/cm3,比Nafion117膜高出3倍。5、由于聚酰亚胺良好的化学稳定性,设计并合成了超支化聚酰亚胺用于高选择性多级质子传输通道的构筑。聚酰亚胺质子交换膜机械性能比聚酰胺高出25%。透过该共混膜的甲醇渗透性很低以至于无法用仪器检测到。综上所述,通过大分子微观结构设计来构筑高效多级自组装质子传输通道,以此获得高选择性的质子交换膜,同时这些质子交换膜表现出良好的机械性能。本论文为应用于直接甲醇燃料电池及钒氧液流电池的新型质子交换膜的开发研究提供了一定参考。(本文来源于《中国地质大学》期刊2017-05-01）
郜玉娇[5]（2017）在《Y186F突变对光受体蛋白古紫质-4质子传输和能量转换的影响》一文中研究指出古紫质-4(Archaerhodopsin-4,aR4)是嗜盐菌xz515细胞膜上以视黄醛为发色团的七-跨膜光敏受体蛋白,具有与细菌视紫红质(Bacteriorhodopsin,bR)类似的光驱质子泵功能。然而作为一个类bR蛋白,aR4却表现出了不同的质子传输时序,其中保守性芳香性氨基酸的作用极为引人注目。位于bR视黄醛发色团键合区的酪氨酸185(Y185)不仅作为希夫碱(SB)的平衡离子参与其氢键网络的形成、辅助发生在希夫碱和天冬氨酸85(D85)间的第一步质子传输,而且很可能是bR光循环中的一个微开关,调控着视黄醛的顺反异构平衡比例以及能量转化效率。因此,位于aR4中相同位置的酪氨酸186(Y186)的作用自然就成了研究aR4质子泵功能和能量转化机制的一个热点。本论文瞄准这一热点课题,选用嗜盐菌L33为宿主细胞实现了野生型aR4蛋白的重组表达RCL33-aR4(recombinant aR4),并利用重迭延伸PCR技术成功构建了 Y186FL33-aR4突变体。采用固体核磁共振、红外光谱、紫外-可见光谱、动力学瞬态吸收光谱等技术手段,并辅以滴定分析以及ATP生成率测定等,对aR4中的Y186的作用进行了初步探究。通过与bR中Y185的功能对比,本论文深入探讨了 aR4中Y186对其视黄醛发色团、光循环以及ATP生成率调控作用的分子机制。研究表明,相对于RCL33-aR4,Y186FL33-aR4突变体的紫外-可见光谱最大吸收峰发生了 4 nm的蓝移,这与Y185F突变对bR紫外-可见光吸收造成的影响基本一致。动力学行为测定结果表明,Y186FL33-aR4突变体的M中间态寿命延长了约为野生型的5倍,O中间态寿命延长了约2倍,同时突变之后造成了质子泵功能的明显减弱。虽然bR中Y185F突变同样造成了 M中间态寿命的延长以及质子泵功能的减弱,但同时也造成了 O中间态的消失。通过四标记视黄醛蛋白样品的核磁共振和光循环中间态的红外光谱研究,可以得出Y185/Y186对bR和aR4中的视黄醛发色团的调制作用不同,进而可以推测二者光循环确有差异。此外,相对于重组RCL33-aR4菌株,Y186FL33-aR4突变造成了蛋白聚集状态的改变以及菌株ATP生成率约36.5%的降低。因此可以判定,位于视黄醛键合区的Y186是一个对质子传输和能量转换起着重要作用的芳香性残基。(本文来源于《华东师范大学》期刊2017-04-01）
姜永燚,郝金凯,侯明,衣宝廉,邵志刚[6]（2016）在《具有梯度化质子传输结构的质子交换膜制备与性能研究》一文中研究指出开发能够高效传导质子的新型质子交换膜一直是膜材料研究者的工作重点。为此,本课题提出一种具有梯度化质子传输结构的复合型质子交换膜,其组分的梯度式分布可形成连续、直接的质子传输微结构,使得质子在膜内的传输效率变得更高效,并可能有较好地阳极水管理的效果。我们首先利用水蒸气相转变法制备出内部相互贯通、具有海绵状孔道的多孔性PVDF膜,并加入邻苯二甲酸二丁酯(DBP),进一步调控PVDF基膜的孔道结构,最后通过改变Nafion溶液在多孔膜的扩散时间制备出该复合膜,并对复合膜的物理化学性能进行了一系列的表征。FT-IR测试显示了该复合膜的化学组成,同时从复合膜的截面形貌电镜图(SEM)可以看到,这一近似的梯度化质子传输结构。在线电池测试表明,在65oC、80%RH氧气增湿下,其氢氧最高功率密度接近800 mW cm~(-2),氢空最高功率密度也超过300 mW cm~(-2)。(本文来源于《中国化学会第30届学术年会摘要集-第二十九分会：电化学材料》期刊2016-07-01）
梁大为,相艳[7]（2016）在《视紫红质生物纳米光电复合体系中的高效质子传输与光电转换》一文中研究指出高效定向质子传输是生物化学过程及电化学能源系统中的重要能量转换步骤。细菌视紫红质光合作用体系是自然界中一种简单且高效的光驱动质子泵的能量转换系统,近年来随着材料科学与纳米加工工艺的快速发展,基于细菌视紫红质的生物纳米复合材料体系与其光电转换特性受得了科学界的强烈关注。在过去五年中,我们致力于通过将细菌视紫红质(bR)和变形杆菌视紫红质(pR)与功能材料相结合,研究与开发出多种生物纳米光电复合体系并用于能量转换、传感以及人工视觉等方面的研究,成功实现以光电流增强和光电流波形转变等为应用需求的功能改进。例如,(1)通过金纳米颗粒的等离子体效应与纳米杂多酸质子导体功能,成功实现叁维网络质子传输通路,缩短光循环路径,可大幅提升光电流密度并使其光电特性得到显着改善~([1,2])。(2)受细胞膜类电容特性的启发,研究开发了一种视紫红质/纳米孔道生物电容器,依靠AAO纳米通道的电阻作用对光电流持续时间进行调整,从而实现将视紫红质瞬态光电流转换为方波电流,这一发现将拓展生物光电复合材料在纳米能源转换领域的广泛应用~([3,4])。(3)基于视紫红质光电流具有pH响应的特性,成功研制出视紫红质pH传感器,可实现高灵敏性、快速响应的pH实时监测~([5])。(4)首次发现视紫红质纳米光电体系的频率响应特性,并用于开发人工视觉系统。同时,生物光电蛋白与功能材料的协同与调控机制也是我们研究的重点和难点。以上研究结果不仅可加深对视紫红质光电蛋白的认知,并为生物光电纳米器件的设计和研制奠定了理论基础。(本文来源于《中国化学会第30届学术年会摘要集-第四十二分会：能源纳米材料物理化学》期刊2016-07-01）
李静娟[8]（2016）在《MOFs/壳聚糖复合质子交换膜的制备及质子传输性能的研究》一文中研究指出质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键组件,它能隔开电池中燃料和氧化剂两极的气体,且又允许质子在膜内自由通过,起着质子传递的作用,对燃料电池的寿命和性能影响很大。因此,PEM的研究一直是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的研究热点。近年来,组装有特定功能的金属有机框架依然受到化学工作者的广泛关注,其中,金属有机框架的MOF材料凭借较好的热稳定性、结构可设计、孔腔可功能化修饰以及比表面积较大等特点,在许多领域呈现出诱人的发展前景,例如:光学材料、磁性、气体吸附和分离、多相催化和导电材料等等。而具有孔腔或带有亲质子基团的金属有机框架材料具有独特的结构和质子传输通道,在质子导电方面已经取得了一定的发展。把该类配合物引入质子交换膜的研究不仅使MOF材料向实际应用迈了一大步,而且为质子交换膜的改良提供了新的思路。本文按文献的方法合成了两个多孔的配合物:[Cr_3O(H_2O)_3(bdc)_3](MIL-101)和[Cr_3O(H_2O)_3(STA)_3]·nH_2O(S-MIL-101)。用酸浸渍MIL-101的方法得到了H_2SO_4@MIL-101、H_3PO_4@MIL-101和CF_3-SO_3H@MIL-101。以壳聚糖(CS)为基质采用共混法和溶液浇铸法制得了一系列的复合质子交换膜。测试了所有膜的导电性,并对其进行了红外、热重、元素分析、扫描电镜和透射电镜等表征,最后对其质子传输机理进行了探究。本论文主要包括以下两部分:一、在溶剂热的条件下,采用刚性对苯二甲酸(Hbdc)和2-磺酸-对苯二甲酸钠盐(STSA)配体分别与金属盐Cr(NO_3)_3·9H_2O构筑了两个多孔的配位聚合物:[Cr_3O(H_2O)_3(bdc)_3](MIL-101)(1)和[Cr_3(H_2O)_3(STA)_3]·nH_2O(S-MIL-101)(2)。通过XRD表征,证实所得产物与报道的结构一致,MIL-101和S-MIL-101具有相似的空间构型,即Cr_3+离子采取相同的配位方式。1和2结构的不同之处是S-MIL-101有许多游离的磺酸基。而后我们用共混法和溶液浇铸法制备了一系列复合质子交换膜:CS/MIL-101-X1和CS/S-MIL-101-X(X1,X分别代表加入MIL-101和S-MIL-101质量占总质量的百分率)。本文对制备的所有膜导电率进行了测试,通过实验结果知道:CS/MIL-101-X1和CS/S-MIL-101-X膜的导电率都比纯CS膜的高,尤其值得注意的是CS/S-MIL-101-4膜的导电率最高达到了0.064 S·cm–1,相同条件下比纯CS(0.029 S·cm–1)提高了120%。我们又对所有复合膜的热稳定性进行研究,借助各种表征手段推测出了这两种膜可能的质子传输机理。二、利用已合成的MIL-101配合物与难挥发性酸(H_2SO_4、H_3PO_4和CF_3-SO_3H)用酸浸渍的方法得到了H_2SO_4@MIL-101、H_3PO_4@MIL-101和CF_3-SO_3H@MIL-101。采用扫描电镜确定它们的基本形貌,通过XRD表征确定了用这叁种酸处理后MIL-101仍能保持结构的稳定。而后我们用同样的方法制得了叁种类型的复合质子交换膜:CS/H_2SO_4@MIL-101-X、CS/H_3PO_4@MIL-101-X和CS/CF_3-SO_3H@MIL-101-X,其中X(X=1,2,4,6,8,10,12,14,16)代表分别加入H_2SO_4@MIL-101、H_3PO_4@MIL-101和CF_3-SO_3H@MIL-101叁种配合物质量占总质量的百分率。有趣的是,所有复合膜的质子导电率都有明显提高,尤其在100oC、100%RH条件下,导电率达到了0.095 S·cm-1(比纯的CS膜提高227%)。最后对复合膜的质子传输机理进行了研究。(本文来源于《郑州大学》期刊2016-05-01）
何瑶[9]（2014）在《新型聚合物电解质基复合质子传输膜的制备及其性能研究》一文中研究指出质子交换膜(PEM)作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心部件在很大程度上决定了PEMFC性能的好坏。现在广泛应用于PEMFC的PEM是杜邦公司生产的Nafion膜。虽然Nafion膜具有高质子传导、化学稳定性好等优点，但它的质子传导强烈依赖膜内的水含量，高温时膜性能急剧下降，在作为直接甲醇燃料电池(DMFC)的PEM时燃料渗透严重，并且Nafion的生产过程复杂，造价昂贵。这些问题都是影响Nafion广泛应用的重要原因。磺化的芳香族聚电解质由于具有良好的机械性能，化学稳定性和热稳定性，尤其是低于Nafion的甲醇渗透和生产成本，使其在近年的PEM研究中备受科研和能源开发机构的青睐。我们知道，在PEM中质子的传导主要是在膜的亲水区域内，亲水区的连续性越好越有利于质子传导。在磺化的无规共聚物膜中，磺酸基会聚集形成大的离子簇，亲水区之间的相对间距很大，因此质子不能在这种结构中快速的传导。为了获得综合性能好，并且具有连续质子传输通道的PEM，很多方法被用于制备改性PEM。在本论文中，我们以磺化芳香聚电解质作为基体，用不同的方法构筑了一系列综合性能好，具有连续离子簇网络和长程质子传输通道的复合质子交换膜材料。具体工作分为四个部分：在第一部分工作中，我们利用原位聚合的方法将具有大量酰胺键的聚异丙基丙烯酰胺(PNIPAm)引入到无规共聚合SPI基体中，制备了一系列具有不同PNIPAm含量的SPI-cPNIPAm半互穿网络PEM。PNIPAm中的酰胺键与SPI中的磺酸基之间形成的氢键相作用以及半互穿的叁维网络结构能够调节复合膜的微观结构和性能。当磺酸基和酰胺键摩尔比为1:1时，SPI-20%-cPNIPAm膜样品中离子簇尺寸最小，分布均匀且连续，形成了利于质子传导的通道。25oC时，该样品膜的质子传导是纯SPI膜的2倍，电池能量密度由纯膜的44mW cm2提高到72mW cm2。同时复合膜也具有良好的机械性能和热稳定性。在第二部分工作中，我们从不同尺寸石墨出发，制备了叁种具有不同尺寸的氧化石墨烯(GO)。将不同尺寸的GO与SPI复合，用于考察GO的尺寸效应对SPI/GO复合膜微观结构和性能的影响。研究发现，在相同的含量下，尺寸最小的GO对SPI基体的微观结构和性能影响最大。在最小GO掺杂为0.5wt%的PEM中离子簇从纯SPI膜中的25nm缩小到6nm，分布均匀且连续，形成了有利于质子传导的微观结构。同时25oC下，这个样品膜的质子传导高于纯SPI膜4倍。复合膜的机械性能、抗氧化稳定性、尺寸稳定性和阻醇性能也都有不同程度上的提高。实验结果说明，GO的引入能够调节PEM的微观结构，优化PEM的综合性能。在第叁部分工作中，我们通过8-羟基喹啉-5-磺酸盐中的羟基与3-异氰酸酯基丙基叁乙氧基硅烷中的异氰酸酯的反应，得到了含有氮杂环和磺酸基的有机硅氧烷偶联剂(SiSQ)。在表面活性剂(模板剂)的存在下，采用溶胶-凝胶的方法将SiSQ引入到SPI基体中，得到了一系列含有不同介孔有硅氧烷(MsiSQ)掺杂量的SPI-MSiSQ复合膜。研究发现MSiSQ相与SPI基体之间有更好的相容性，磺酸基的引入减少了掺杂组分对SPI膜中磺酸基浓度的稀释作用。复合膜的质子传导和阻醇性随着MSiSQ含量的增加而增加。当MSiSQ含量为40wt%时，在25oC下，复合膜的质子传导为0.23S cm-1，甲醇渗为1.8×10-8cm2/S，选择性为12.8×106Sscm-3，这与纯膜相比分别提高了3、6、23倍。这主要归因于：一方面是MSiSQ中的喹啉氮原子与SPI中的磺酸基之间的相互作用促使SPI中的大尺寸离子簇分散成尺寸更小的离子簇，在膜中形成了均一连续的质子传输通道；另一方面则是磺化有机硅氧烷中的磺酸基与表面活性剂作用，去除表面活性剂后磺酸基聚集在介孔内，为质子的传导提供了长程的质子传导通道。此外，复合膜的电池性能、机械性能、热稳定性和抗氧化性都有很大程度的提高，有望用于DMFC。在第四部分工作中，我们以聚酯纤维为基底，利用GO与SPES之间的氢键相互作用，使两者通过层层组装的方式在聚酯纤维的表面形成GO与SPES组装的多层结构，每一层中磺酸基都沿纤维轴向排列，这为质子的传导提供了长程的质子传导通道，促进质子的快速传导。将SPES与多层组装聚酯纤维复合，并对复合膜的结构和性质进行了表征。结果表明：随着组装层的增加复合膜中的质子传导率逐渐升高。同时复合膜的机械性能和阻醇性也比纯SPES膜有明显的提高。实验证明层层结构修饰的纤维能构筑更多长程质子传输通道。(本文来源于《东北师范大学》期刊2014-05-01）
张亮[10]（2014）在《基于质子传输强化的微生物燃料电池传输特性及性能强化》一文中研究指出众所周知，能源问题和环境问题是21世纪人类面临的两大难题，它们严重制约着人类的生存和社会的可持续发展。传统的化石能源日益趋近于枯竭，而且环境问题尤其是水体污染日益突出。此外传统污水处理行业一直是“高投入、零产出”。因此，寻求清洁的新能源和新的污水处理工艺是当务之急。在此背景下，微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC），一种可以将废水中有机物所蕴含的能量进行回收利用的新型可再生能源装置，以其处理污水的同时回收电能这一独特的优势应运而生，这为环境保护、提高能源利用率和发展可持续能源都具有重大意义。近些年来MFC技术发展很快，其功率密度从0.1mW m-2被提升到6800mWm-2，但这还不足以面向实际应用。因此，为了进一步提升MFC性能，研究者们对MFC性能影响因素进行了大量实验研究。影响MFC性能的因素很多，其中最重要的因素之一就是MFC中物质传输尤其是质子的传输。研究者表明阳极生物膜内质子的传输是MFC性能的限制性因素，而且阴极pH对空气阴极的性能影响很大。随着MFC的运行，较差的质子传输效果导致MFC阴、阳极之间的质子梯度不断增大，极大地限制了MFC的性能。同时，面临未来实际应用，需要对MFC进行放大化研究从而提高MFC的功率，而且从经济和环保角度而言，质子交换膜和磷酸缓冲液不再适用于未来放大化的MFC。针对以上问题，本文从工程热物理学科角度出发，立足于强化物质传输和提升MFC性能，设计了多种结构的MFC反应器，针对不同传质类型的MFC传输特性及性能特性进行了研究。研究内容主要分为叁个部分：（1）采用电极阵列电极对矩形MFC进行放大化研究，并研究了不同阵列排列形式（叉排或顺排）对升级MFC启动、性能、电流分布和污水处理效果的影响，同时还揭示了放大化MFC阳极存在的电流分布不均现象；构建了叁合一膜电极式MFC，并研究了阳极不同传质形式对其启动和性能的影响；（2）构建基于对流扩散传质的平板式MFC，研究了不同外接电阻启动条件下MFC启动特性、阳极生物膜成膜及物质传输特性和产电特性；构建了平板式MFC串联电堆并研究了电堆的性能及限制性因素，针对串联电堆存在的子电池反极现象提出了改善措施；（3）构建了通流式MFC，研究了其质子传输特性和性能特性，并对其阳极生物膜传输特性进行数值模拟；构建空气阴极通流式MFC，研究了电解液流量、底物浓度、电解液离子强度和阴极圆孔柱结构对空气阴极通流式MFC性能的影响；构造了漂浮式空气阴极环流MFC，研究了无缓冲液下环流MFC运行的可行性及循环流速对MFC质子传输、性能及污水处理效果的影响。主要研究成果如下：1)研究了阵列电极排列方式对升级MFC启动及性能的影响。研究结果表明：与采用顺排电极阵列的MFC相比而言，采用叉排电极阵列的MFC不但启动速度较快，启动完成后最高功率密度（23.8W m-3）要高24.6%；叉排和顺排电极阵列方式的MFC均出现明显的阳极电流分布不均现象，但是电极阵列采用叉排的MFC阳极电流分布不均匀程度稍小；序批方式下，两种排列方式的MFC COD去除率相近似，均可高达81%以上，但是电极采用叉排方式排列的MFC库伦效率较高。2)揭示了放大化后MFC阳极电流密度分布不均现象。实验结果表明，升级电极阵列MFC中，阳极电流沿着阴、阳极两电极距离的方向出现不均匀分布现象：距离阴极电极越远的阳极电极对电池的总电流贡献越小，而且其不均匀分布程度随着电池的电流增加而加剧。分析研究表明，这主要是由于阳极各部分电极与阴极电极不同的距离导致其欧姆内阻分布均匀，在启动阶段致使阳极各部分电极上形成的阳极生物膜不均匀。在产电过程中，欧姆内阻和阳极生物膜分布不均最终导致了阳极电流分布不均。针对电流分布不均，可采用增加阳极电解液的COD浓度或者离子强度来减小MFC阳极电流分布不均的程度。3)研究了阳极传质形式对叁合一矩形MFC性能的影响。研究表明，由于PEM膜面积增加和阴、阳极电极间间距小导致其最高功率密度（2149.0mW m-2）高于实验室前期H型MFC（310mW m-2）和矩形MFC（745mW m-2）。与采用大腔室（扩散传质）的MFC相比，阳极采用蛇形流道（对流扩散传质）的叁合一矩形MFC不但启动速度较快，而且最大功率密度要高24.5%。4)研究了不同外接电阻启动条件下MFC启动特性、阳极生物膜成膜特性和性能特性。研究结果表明，采用较小的电阻启动，启动过程中电流较大，但启动速度较慢；启动过程中的能量获得不同会导致MFC阳极生物膜中活性生物量和EPS成分含量的不同，从而导致生物膜的结构有所不同。采用较小外阻启动的MFC阳极生物膜具有较大的生物量和较大的EPS含量，呈现出较厚生物膜厚度，最终导致生物膜电化学活性较高，MFC最大功率密度也较大；然而，当启动外阻降低到过小值时，MFC阳极生物膜中EPS含量剧增，然而活性生物量反而减少。同时，生物膜的多孔隙结构有利于物质的传输，但也导致了生物膜导电性的降低。这最终导致了采用过小外阻启动的MFC虽然具有较大的电流密度，但是其最大功率密度较低。5)研究了物质传输对平板式MFC阳极生物膜成膜及性能的影响。研究结果表明，流场板结构使底物分布在槽道处，这导致阳极生物膜主要分布在与槽道相对应的碳布表面。同时，较厚的生物膜阻碍了物质向碳布内侧的传输，导致生物膜仅分布在碳布电极表面；采用蛇形流道MFC的最大功率密度随着阳极底物流速的增加先急剧增加后基本维持不变，随着阳极底物浓度的增加先急剧增加后逐步减小，阳极采用交指流场后由于较佳的物质传输致使MFC性能提高14.8%；由于交指流道较佳的传质和平板式电池结构较小的内阻，致使阴极采用交指流道的MFC的最大功率密度相对于H型MFC大大提高，其电池性能随阴极电子受体浓度的增加而增加，而几乎不受阴极水力停留时间的影响。6)研究了平板式MFC串联电堆的性能。平板式MFC串联堆在电压高达2.11V时到达最高功率密度（2226mW m-2）。然而，在较大电流时发生的子电池电压反极现象限制了串联堆功率密度的进一步增加；适度增加反极电池阴阳极电解液流量可促使电堆性能大幅度提高；采用混联方式运行可提高电堆的可运行的最大电流，一定程度上避免了子电池电压反极现象，从而提升了其性能；移除电压反极的子电池并不能有效地避免反极现象的发生；反接反极电池反而会进一步加剧反极电池的反极，致使电堆性能更低。7)构建新型质子传输方式的通流式MFC并研究了其质子传输及性能特性。研究结果表明，由于纺织物的可渗透性，在流动的情况下，强化了通流式MFC中质子从阳极到阴极的传输，从而大幅提升了MFC性能；而且，一定流量范围内，增加电解液流量会强化质子传输，导致MFC性能的提高。8)通流式MFC阳极生物膜传输特性进行数值模拟。将模拟结果与实验数据进行了比较，在小电流范围内二者基本吻合，然而在大电流然而在大电流下模拟值要高于实验值，这主要是模拟中没有考虑pH对生物膜反应动力学的影响等因素造成的。模拟结果表明，MFC阳极生物膜内电势和电流呈现一维分布，电势和电流均随着距离阳极电极板距离的增大而减小。阳极生物膜内乙酸钠浓度和pH随着阳极电极板垂直距离的增加而增加，且沿着流动方向逐步降低。随着阳极电势的增加，MFC阳极电流增加，生物膜内乙酸钠浓度和pH降低而且其分布不均匀程度增加。9)研究了空气阴极通流式MFC的性能特性。研究结果表明，在电流约为2.5mA时到达最大功率密度（约为622mW m-2），空气阴极较大的活化损失是其性能的限制性因素；在一定流量范围内，其性能随着电解液流量的增加先增加，当增加到一定程度后性能不再增加；在一定范围内，其性能随着阳极电解液COD和缓冲液浓度的增加而增加；空气阴极圆柱采用圆孔阵列结构时比采用沿着流动方向的直槽结构时MFC获得的性能要高28.6%。10)构造了漂浮式空气阴极环流式MFC，研究了采用阳极电解液循环运行方式替代磷酸缓冲液的可行性。研究结果表明，与有磷酸缓冲液条件运行下相比，无缓冲液条件下MFC（50外阻下）输出功率要低27%，最大性能要低9.7%，但是其库伦效率却要高64.2%，这表明此种运行方式在无磷酸缓冲液下时可行的，而且具有较大的应用前景；当增加电解液流量，氢离子传输明显增强，导致MFC性能和库伦效率提高；然而，当进一步增大电解液流量，由于过多的氧气传输到阳极室，这导致性能和库伦效率的降低。当电解液流量为0.35ml min-1时无磷酸缓冲液条件下MFC获得最高的最大性能为1.32mW），最大库伦效率为16.6%。(本文来源于《重庆大学》期刊2014-04-01）
质子传输论文开题报告
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
质子交换膜燃料电池因其能量密度高、污染小等特征而受到人们的广泛关注。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心部件,在成本控制和性能优化中占据重要地位。当前商用的质子交换膜面临工作温度低,严重依赖水合条件,成本高昂等问题。这些问题大大限制了质子交换膜燃料电池的发展。根据质子交换膜的传输机理,氢键对质子传输具有重要作用,因此那些含有合适氢键结构的材料有望成为新一代的质子交换膜材料。勃姆石(boehmite,化学式:γ-AlOOH)具有明显的分层结构,由Al-O键层和氢键层交替堆垛而成。氢键通过氢供体氧原子和氢受体氧原子连接而成。氢键链有可能成为氢原子高速传输的通道,然而现有的衍射实验手段仅可以确定铝和氧原子的位置,但无法确定氢原子的位置,继而无法研究勃姆石中质子传输的机理。本文在应用第一性原理计算研究勃姆石Cmc2_1、Pmc2_1、Pca2_1叁种可能的晶体结构的热力学稳定性的基础上,利用过渡态理论计算勃姆石完美和含H空位晶体结构的质子传输的能垒。旨在明确勃姆石的结构,为其用于质子交换膜材料提供关键数据和理论依据。本课题中所有的计算都是以密度泛函理论为基础,通过VASP软件包来完成的。本论文研究的主要结论如下:(1)勃姆石的Cmc2_1,Pmc2_1,Pca2_1叁种空间结构的主要区别在于氢键的位向不同,叁者具有相同的热力学稳定性。勃姆石结构中的氢键链对同层氢键链和相邻层氢键链的影响可以忽略。(2)在勃姆石完美晶体结构的质子传输的理论模型中,主要发生了伸展模式和摆动模式羟基位向的变化。伸展模式的能垒低于摆动模式的能垒,范德华力对于伸展模式的影响更为显着。两种模式的质子传输完全可以通过室温下的热扰动实现,勃姆石晶体结构从Cmc2_1到Pmc2_1结构的转变在室温下是十分容易的,推测实验中观测到的Cmcm结构是几种勃姆石晶体结构在时间上的平均效果。(3)在勃姆石含H空位晶体的质子传输的理论模型中,最高能垒为14.09kJ·mol~(-1),低于勃姆石完美晶体结构中的质子传输能垒:20.68 kJ·mol~(-1)。实际勃姆石晶体结构空位缺陷更多,预期其发生质子传输的能垒更低,在质子交换膜上的应用具有可行性。本课题的研究对改进勃姆石及类似晶体的表征手段,以及研究勃姆石在质子交换膜领域的应用有重要意义。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
质子传输论文参考文献
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