一种碱性阴离子交换膜及制备方法和甲酸盐燃料电池制备方法技术

技术编号:21897230 阅读:29 留言:0更新日期:2019-08-17 16:40
本发明专利技术涉及一种碱性阴离子交换膜及制备方法和甲酸盐燃料电池制备方法,碱性阴离子交换膜,使用聚苯并咪唑作为碱性膜的基体,同时掺入层状双金属氢氧化物纳米粒子用以改善膜的离子电导率。聚苯并咪唑具有优异的的耐高温、耐腐蚀性能,并且具有良好的亲水性、热稳定性和机械性能。聚苯并咪唑分子结构中的咪唑环中具有‑N=和‑NH‑两种功能团,在碱掺杂后具有良好的氢氧根传导性能。层状双金属氢氧化物层片状结构之间具有可以交换的阴离子,在进行氢氧根离子交换后具有良好的氢氧根传导性能,因此被广泛地用作离子交换载体。由于层状双金属氢氧化物在碱性环境中合成,因此具有较好的碱稳定性。

A basic anion exchange membrane and its preparation method and the preparation method of formate fuel cell

【技术实现步骤摘要】
一种碱性阴离子交换膜及制备方法和甲酸盐燃料电池制备方法
本专利技术属于燃料电池
,涉及一种碱性阴离子交换膜及制备方法和甲酸盐燃料电池制备方法,特别涉及一种层状双金属氢氧化物与聚苯并咪唑聚合物复合的碱性阴离子交换膜及制备方法和基于这种膜组装的直接甲酸盐燃料电池。
技术介绍
燃料电池是一种通过电化学反应直接将燃料中的化学能转化为电能的装置,相比于传统动力技术,燃料电池具有能量转化效率高,不受卡诺循环限制,可靠性和操作性良好,燃料选择广泛,噪声低,清洁环保等优势,近年来受到越来越多的关注。燃料电池有多种类型,其中聚合物电解质膜燃料电池具有快速启动,对负荷变化响应迅速等优点,在新能源汽车、便携式电子设备领域均具有广阔的应用前景。聚合物电解质膜燃料电池储能物质选择范围宽,可以使用氢气、甲醇、乙醇、甲酸、甲酸盐、葡萄糖等作为燃料。根据工作环境酸碱性的不同,可以使用酸性条件下工作的质子交换膜作为固体电解质或者碱性条件下工作的阴离子交换膜作为固体电解质。质子交换膜燃料电池是一种发展较早,较为成熟的聚合物电解质膜燃料电池。商业化的质子交换膜如美国杜邦公司生产的Nafion膜,具有较高的离子电导率,优良的化学稳定性和机械稳定性,广泛应用在直接液体燃料电池中。然而这种全氟磺酸膜制备工艺复杂,成本高昂,并且存在燃料渗透率高、工作环境中对于温度、含水量要求较高的问题。另外,质子交换膜需要在酸性条件下工作,必须使用耐腐蚀的铂基催化剂,进一步提升了质子交换膜燃料电池的成本。上述原因极大地限制了质子交换膜燃料电池的商业化应用。碱性条件下,燃料电池具有更快的氧还原反应动力学,可以使用非贵金属催化剂并且燃料在碱性环境中具有更低的渗透率,因此基于碱性阴离子交换膜的燃料电池受到研究人员的广泛关注。特别是基于碱性阴离子交换膜的直接甲酸盐燃料电池,由于其功率密度高,抗中毒能力强,燃料便于储存和运输等优点,被认为是最具潜力的新型化学电源之一。然而目前使用的碱性阴离子交换膜仍然面临诸多问题。由于氢氧根分子量较大,其在阴离子交换膜中的扩散速率要远远小于氢离子在质子交换膜中的扩散速率,因此必须通过提高膜中的离子交换容量以提高碱性膜离子电导率。在过去的几年间,大量的碱性阴离子交换膜被报道,包括季铵功能化聚合物膜、咪唑功能化聚合物膜、胍盐功能化聚合物膜等,然而在碱性条件下,这些功能化有机阳离子很容易发生霍夫曼降解、亲核取代等反应,导致阴离子交换膜离子传导性能的下降。碱性阴离子交换膜较低的离子电导率以及较差的化学稳定性、尺寸稳定性成为目前制约阴离子交换膜燃料电池商业化应用的重要因素。因此开发一种具有高离子电导率,良好的化学稳定性和尺寸稳定性的碱性阴离子交换膜将具有很广阔的研究前景和应用前景。中国专利CN106025316A提出一种将氢氧化物纳米片溶液在施加压力条件下真空过滤获得氢氧化物纳米片阴离子交换膜的制备方法。但是采用此种方法制得的阴离子交换膜存在机械性能差,易脆裂的问题,同时由于纳米片之间存在不可避免的孔隙,可能导致燃料的渗漏,因此限制了此种阴离子交换膜的适用范围。当前碱性阴离子交换膜普遍存在的燃料渗透率高,离子传导率低,化学稳定性以及尺寸稳定性较差的问题。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处,本专利技术提出一种碱性阴离子交换膜及制备方法和甲酸盐燃料电池制备方法,采用聚苯并咪唑作为碱性膜的基体,同时掺入层状双金属氢氧化物纳米片,制备了一种有机无机杂化膜,将此种交换膜应用在直接甲酸盐燃料电池中。技术方案一种碱性阴离子交换膜,其特征在于:由层状双金属氢氧化物和聚苯并咪唑复合而成,其中:层状双金属氢氧化物在交换膜中的质量百分比为5%-20%;阴离子交换膜薄膜厚度为40-60μm;所述层状双金属氢氧化物为镁铝层状双金属氢氧化物,形貌为六边形纳米片。一种所述碱性阴离子交换膜的制备方法,其特征在于步骤如下:步骤1、层状双金属氢氧化物的制备:采用甲酰胺和去离子水配制成体积分数为20vol%-25vol%的甲酰胺溶液,再加入10-20mg硝酸钠溶解,在80℃-90℃条件下磁力搅拌均匀,得到甲酰胺与硝酸钠溶液;配制摩尔分数比为4:1的硝酸镁与硝酸铝的混合溶液;溶液中硝酸铝浓度为0.005-0.015M,硝酸镁浓度为0.02-0.06M;将硝酸镁与硝酸铝混合溶液逐滴加入到甲酰胺与硝酸钠溶液中,滴加过程保持在80℃-90℃下磁力搅拌,同时逐滴加入摩尔分数为0.20-0.30M的氢氧化钠溶液调节pH值在反应过程中体系保持在9-10;溶液反应10-15分钟后离心并用去离子水洗涤2-3次,获得透明状的镁铝双金属氢氧化物LDH胶体,再放入冷冻干燥机中干燥10-12小时,获得颗粒细小的层状双金属氢氧化物粉末即镁铝双金属氢氧化物粉体;步骤2、制备阴离子交换膜:将镁铝双金属氢氧化物粉体末溶于二甲基亚砜或二甲基乙酰胺中,超声处理1-2小时,加热并搅拌使得LDH均匀分散在溶剂中;再加入聚苯并咪唑PBI粉末,在80-90℃下磁力搅拌3-4小时,使聚苯并咪唑粉末充分溶解,获得均一的橘红色溶液;所述LDH与PBI的质量比为1:19-1:4;采用溶液浇铸成膜工艺,将橘红色溶液倒进玻璃培养皿中,放置在恒温干燥箱中,90-120℃条件下干燥10-12小时,使得溶剂缓慢地蒸发完全,获得层状双金属氢氧化物与聚苯并咪唑复合的碱性阴离子交换膜;步骤3、对干燥后的薄膜进行浸碱预处理:在室温条件下放入摩尔分数为2M-6M的氢氧化钾溶液中处理2天,获得氢氧化钾掺杂的PBI-LDH薄膜即阴离子交换膜,放入去离子水中存储备用。一种利用所述碱性阴离子交换膜制备甲酸盐燃料电池的方法,其特征在于:步骤a、催化剂浆料的制备:阳极催化剂浆料:将质量分数为10%的商业钯碳催化剂,加入体积比例为1:2的去离子水和无水乙醇中,再加入40-50微升质量分数为10%的四氟乙烯PTFE溶液,超声处理1-2小时;阴极催化剂浆料:将质量分数为20%的商业铂碳催化剂,加入体积比例为1:2的去离子水和异丙醇中,再加入20-30微升质量分数为10%的四氟乙烯PTFE溶液,超声处理1-2小时;步骤b、膜电极的制备:将阳极催化剂浆料和阴极催化剂浆料,采用气动喷涂方式均匀涂布在碳纸上,得到含有阴极催化剂层和阳极催化剂层的碳纸;将含有阴极催化剂层的碳纸、阴离子交换膜、含有阳极催化剂层的碳纸叠放在一起组成三明治结构,在热压机下进行热压处理制备成膜电极;热压参数:4-6MPa,60-80℃,2-3分钟;步骤c、甲酸盐燃料电池的制备:将制作好的膜电极组装到燃料电池中,液体燃料为摩尔分数比1:1的4M的氢氧化钾、甲酸钾混合溶液,液体燃料流速为每分钟1-1.5mL;阴极采用氧气作为反应气体,气体流速为每分钟50-80mL。有益效果本专利技术提出的一种碱性阴离子交换膜及制备方法和甲酸盐燃料电池制备方法,碱性阴离子交换膜,使用聚苯并咪唑作为碱性膜的基体,同时掺入层状双金属氢氧化物纳米粒子用以改善膜的离子电导率。聚苯并咪唑具有优异的的耐高温、耐腐蚀性能,并且具有良好的亲水性、热稳定性和机械性能。聚苯并咪唑分子结构中的咪唑环中具有-N=和-NH-两种功能团,在碱掺杂后具有良好的氢氧根传导性能。层状双金属氢氧化物层片状结构之间具有可以交换的阴离子,在进行本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种碱性阴离子交换膜,其特征在于:由层状双金属氢氧化物和聚苯并咪唑复合而成,其中:层状双金属氢氧化物在交换膜中的质量百分比为5%‑20%;阴离子交换膜薄膜厚度为40‑60μm;所述层状双金属氢氧化物为镁铝层状双金属氢氧化物,形貌为六边形纳米片。

【技术特征摘要】
1.一种碱性阴离子交换膜,其特征在于:由层状双金属氢氧化物和聚苯并咪唑复合而成,其中:层状双金属氢氧化物在交换膜中的质量百分比为5%-20%;阴离子交换膜薄膜厚度为40-60μm;所述层状双金属氢氧化物为镁铝层状双金属氢氧化物,形貌为六边形纳米片。2.一种权利要求1所述碱性阴离子交换膜的制备方法,其特征在于步骤如下:步骤1、层状双金属氢氧化物的制备:采用甲酰胺和去离子水配制成体积分数为20vol%-25vol%的甲酰胺溶液,再加入10-20mg硝酸钠溶解,在80℃-90℃条件下磁力搅拌均匀,得到甲酰胺与硝酸钠溶液;配制摩尔分数比为4:1的硝酸镁与硝酸铝的混合溶液;溶液中硝酸铝浓度为0.005-0.015M,硝酸镁浓度为0.02-0.06M;将硝酸镁与硝酸铝混合溶液逐滴加入到甲酰胺与硝酸钠溶液中,滴加过程保持在80℃-90℃下磁力搅拌,同时逐滴加入摩尔分数为0.20-0.30M的氢氧化钠溶液调节pH值在反应过程中体系保持在9-10;溶液反应10-15分钟后离心并用去离子水洗涤2-3次,获得透明状的镁铝双金属氢氧化物LDH胶体,再放入冷冻干燥机中干燥10-12小时,获得颗粒细小的层状双金属氢氧化物粉末即镁铝双金属氢氧化物粉体;步骤2、制备阴离子交换膜:将镁铝双金属氢氧化物粉体末溶于二甲基亚砜或二甲基乙酰胺中,超声处理1-2小时,加热并搅拌使得LDH均匀分散在溶剂中;再加入聚苯并咪唑PBI粉末,在80-90℃下磁力搅拌3-4小时,使聚苯并咪唑粉末充分溶解,获得均一的橘红色溶液;所述LDH与PBI的质量比为1:19-1:4;采用溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员:陈福义刘华振
申请(专利权)人:西北工业大学
类型:发明
国别省市:陕西,61

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