導電聚苯胺膜在模擬PEMFC環境下的腐蝕性能

李 新, 周婉秋, 黃婷婷, 武士威, 康艷紅

(沈陽師范大學 化學與生命科學學院, 沈陽 110034)

導電聚苯胺膜在模擬PEMFC環境下的腐蝕性能

李 新, 周婉秋, 黃婷婷, 武士威, 康艷紅

(沈陽師范大學 化學與生命科學學院, 沈陽 110034)

在由0.5 mol/L H2SO4和0.5 mol/L苯胺組成的溶液體系中,采用恒電位方法在316L不銹鋼雙極板表面電化學合成了導電聚苯胺(PANI)薄膜。用紅外光譜技術研究了聚苯胺膜的化學鍵和狀態,用掃描電子顯微鏡觀察了聚苯胺膜的表面形貌。以1 mol/L H2SO4及2ppM NaF的混合溶液作為模擬質子交換膜燃料電池(PEMFC)工作條件下的腐蝕介質,控制溫度在70 ℃,用電化學技術研究了聚苯胺膜的腐蝕行為。紅外光譜測量結果顯示,不銹鋼基底上沉積的聚合物膜是聚苯胺。掃描電子顯微鏡觀察表明,在0.8 V電壓下得到的聚苯胺膜較為均勻致密。極化曲線和電化學阻抗測量結果表明,聚苯胺膜能夠顯著提高不銹鋼雙極板的耐腐蝕性能。

質子交換膜燃料電池; 不銹鋼雙極板; 導電聚苯胺膜; 腐蝕行為

質子交換膜燃料電池(polymer electrolyte membrane fuel cells , PEMFC)是一種可以連續地將化學能直接轉化為電能的裝置,最早由通用電氣(General Electric)公司為美國宇航局開發[1-2]。以氫氣作為燃料,具有清潔、高效特點[3-4]。由于在新能源汽車等領域具有潛在的應用前景,近年來受到科學界和工業界關注[5-6]。

本文用恒電位方法在316L不銹鋼基體表面電化學沉積導電聚苯胺膜,用極化曲線和電化學阻抗譜評價了聚苯胺膜在模擬PEMFC工作環境下的腐蝕性能,用紅外光譜技術研究了聚苯胺膜的化學鍵和狀態,用掃描電鏡觀察了膜的表面形貌。

1 實驗材料和研究方法

1.1實驗材料

實驗材料為316L不銹鋼(15 mm×15 mm×1 mm)。樣品經金相砂紙打磨,超聲波清洗20 min,丙酮除油, 蒸餾水洗,5%鹽酸浸蝕2～5 min,蒸餾水沖洗,吹干備用。

1.2合成方法

在含有0.5 mol/L H2SO4和0.5 mol/L苯胺的混合溶液中,pH為1～2,用恒電位法電化學合成聚苯胺膜,電位范圍控制在0.3～1.2 V的范圍內,時間為5 min。

1.3電化學測試

采用EG&G 273A恒電位儀和M5210電化學系統,采用三電極體系,樣品作為工作電極,參比電極為飽和甘汞電極,對電極為鉑電極。極化曲線掃描速度為0.5 mV/s。電化學阻抗電位幅值為5 mV,掃描頻率范圍為5 mHz～100 kHz[15]。腐蝕介質為1 mol/L H2SO4和2 ppm NaF的混合溶液,用恒溫水浴控制溫度為70 ℃。

1.4結構測定和形貌觀察

用TA Nicolet 380型傅里葉紅外光譜儀測定聚苯胺膜的化學結構。用Hitachi S-4800型掃描電子顯微鏡觀察樣品表面微觀形貌。

2 結果與討論

2.1聚苯胺膜的恒電位合成

在由0.5 mol/L H2SO4和0.5 mol/L苯胺組成的溶液體系中,控制pH值為1～2,在不同電位下,采用恒電位法在316L不銹鋼表面電化學合成導電聚苯胺膜。研究發現,合成過程受電壓的影響顯著。當電壓低于0.5 V時,在5 min內,在不銹鋼基體表面沉積的聚苯胺量很少,沒有形成連續的薄膜,基體大面積裸露。電壓升高,合成的聚苯胺量逐漸增多,膜層逐漸增厚,當電壓在0.75～0.9 V時,獲得的聚苯胺膜較致密。電壓超過0.9 V后,在合成過程中能夠看到電極表面有大量氣體生成,電壓升高到1.0 V后,所得到的聚苯胺膜厚度較大,但容易開裂脫落,附著力下降,膜的致密性差。

2.2在模擬PEMFC工作條件下的腐蝕性能

采用1 mol/L H2SO4及2 ppm NaF的混合溶液作為腐蝕介質,溫度控制在70 ℃,以模擬PEMFC工作環境,測量了不銹鋼基體和聚苯胺膜的動電位極化曲線和電化學阻抗譜。由圖1的極化曲線測量結果可見,316L不銹鋼基底表面沉積聚苯胺膜后,其自腐蝕電位正移了377 mV,自腐蝕電流明顯降低。表明聚苯胺膜能夠顯著提高不銹鋼基底的耐腐蝕性能。圖2為316L不銹鋼基體和聚苯胺膜的電化學阻抗譜,可見,導電聚苯胺膜的容抗弧半徑明顯大于不銹鋼基底,也說明了聚苯胺膜起到了防護不銹鋼基底的作用。表1為316L SS和聚苯胺膜的動電位極化曲線擬合數據,表2電化學阻抗擬合數據,可以看出,聚苯胺膜的自腐蝕電流降低了10倍以上,阻抗也顯著增大。

圖1 極化曲線結果

圖2 電化學阻抗譜表1 極化曲線擬合結果

Sampleβa/mVβb/mVI0/(10-6A·cm-2)E0/mVPANI204．23-117．781．26-396．43316LSS68．75-138．2415．21-606．21

表2 電化學阻抗擬合結果

2.3紅外光譜分析

紅外光譜是分析有機物結構的重要手段,可以快速準確地測定有機物的官能團及化學結構。圖3為恒電位0.8 V下電化學合成的導電聚苯胺膜的紅外光譜。結果顯示:1 111.00處的峰為苯環上C-N伸縮振動峰;1 418.99處為芳雜環的伸縮振動峰;2 361.00和3 448.59處的峰為聚苯胺上的N-H彎曲和伸縮振動峰。說明不銹鋼基底上的聚合物是聚苯胺。

圖3 聚苯胺紅外光譜圖

2.4導電聚苯胺表面形貌

圖4是聚苯胺膜的掃描電鏡微觀形貌圖。圖4a是在0.4 V電壓下合成的聚苯胺掃描電鏡圖像,不銹鋼基體表面只有少量聚苯胺沉積,如箭頭所指,基底大面積裸露。在0.8 V電壓下得到的聚苯胺量較多,膜層較為均勻致密,如圖4b所示。圖4c是在1.2 V電壓下獲得的聚苯胺膜微觀形貌圖,可見膜層較厚,能夠觀察到明顯開裂現象。

圖4 聚苯胺微觀形貌圖

3 結 論

恒電位法電化學合成導電聚苯胺膜受電壓數值的影響顯著,較為適宜的電壓范圍為0.7～0.9 V。電位低反應速率過慢,在短時間內難以得到致密的聚苯胺薄膜;電壓高反應速率過大,形成的膜有開裂脫落現象,致密性差。聚苯胺膜在模擬PEMFC工作環境的條件下,能夠顯著提高不銹鋼的耐蝕性。

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CorrosionperformanceofconductivepolyanilinefilmundersimulatingenvironmentofPEMFC

LIXin,ZHOUWanqiu,HUANGTingting,WUShiwei,KANGYanhong

(College of Chemistry and Life Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

Polyaniline (PANI) conducting polymer coating was electrochemical synthesized on the surface of 316L stainless steel bipolar plates by using constant potential method in a solution containing 0.5 mol/L H2SO4and 0.5 mol/L aniline. The chemical bonds and state of PANI was investigated using infrared spectroscopy (IR) technology. The surface morphology of the PANI coating was observed using scanning electron microscope (SEM). Corrosion behaviors of PANI coating were investigated using electrochemical technique under simulating polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) working conditions, the mixed solution of 1 mol/L H2SO4and 2 ppm NaF was adopted as corrosion medium, and the temperature was controlled at 70 ℃. The results of IR shows that the polymer coating deposited on the stainless steel basement is PANI. SEM observation indicates that PANI coating obtained at 0.8 V was comparatively uniform and compact. The measurement results of polarization curve and electrochemical impedance spectrum indicate that the PANI coating can improve the anti-corrosion performance of stainless steel bipolar plates obviously.

PEMFC; stainless steel bipolar plates; PANI conducting polymer coating; corrosion behavior

2014-03-04。

國家自然科學基金資助項目(50971093); 沈陽師范大學實驗中心主任基金資助項目(SYZX1103)。

李 新(1988-),女,河北廊坊人,沈陽師范大學碩士研究生;

: 周婉秋(1963-),女,遼寧本溪人,沈陽師范大學教授,博士,碩士研究生導師。

1673-5862(2014)04-0557-04

TG174.4

: A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2014.04.022