一种花状水滑石复合碱性聚电解质膜及其制备方法和应用技术

一种花状水滑石复合碱性聚电解质膜的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)将含Mg

A flower-like hydrotalcite composite alkaline polyelectrolyte membrane and its preparation method and Application

A preparation method of flower-like hydrotalcite composite alkaline polyelectrolyte membrane comprises the following steps: (1) Mg-containing polyelectrolyte membrane is prepared

【技术实现步骤摘要】
一种花状水滑石复合碱性聚电解质膜及其制备方法和应用
本专利技术涉及燃料电池
，尤其涉及一种花状水滑石复合碱性聚电解质膜及其制备方法和应用。
技术介绍
聚电解质膜近年来在超滤膜、电渗析、电化学能源装置如碱性燃料电池、水电解、液流电池等领域引起了越来越多的关注，然而在强碱性环境中膜的降解导致电导率的降低成为限制其发展的关键因素。有机无机复合是同时提高聚电解质膜离子电导率和碱性稳定性的简单有效途径，常用的无机物有SiO2、TiO2、Al2O3、ZrO2、蒙脱土、石墨烯、碳纳米管、水滑石。在这些无机材料里，水滑石是一种由层间客体阴离子与带正电荷的主体氢氧化物层板有序组装形成的层状结构阴离子粘土，由于其在碱性环境中制备因此水滑石具有优异的碱性稳定性。水滑石的应用比较广泛，可以用于阻燃剂、绝缘剂、稳定剂、抗老化剂以及抗紫外线剂，水滑石也被用在质子交换膜的填料、催化层、碱性直接乙醇燃料电池的固态电解质以及阴离子交换膜的OH-导体。一般无机纳米材料由于具有大的比表面能极易在聚合物基体中团聚，因此一般将无机物表面进行功能化处理，在增加其与聚合物基体的相容性的同时提升无机材料的离子交换容量，从而提升复合膜的综合性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种性能好的花状水滑石复合碱性聚电解质膜及其制备方法和应用。一种花状水滑石复合碱性聚电解质膜的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)将含Mg2+、Al3+、尿素和乙二醇的混合溶液进行水热反应得花状水滑石；(2)利用硅烷偶联剂对花状水滑石进行表面处理，得到硅烷偶联剂接枝的花状水滑石；(3)将硅烷偶联剂接枝的花状水滑石的分散液与季铵化壳聚糖溶液和聚乙烯醇溶液在交联剂的存在下混合得到铸膜液；(4)铸膜液经溶液浇铸、干燥、冷却、揭膜、离子交换，即得花状水滑石复合碱性聚电解质膜。本专利技术利用硅烷偶联剂接枝的花状水滑石作填充材料，并以戊二醛与季铵化壳聚糖和聚乙烯醇反应形成互穿网络结构为膜基体，在两相协同作用下极大的提高了复合膜的拉升强度和碱性稳定性；本专利技术制备的复合膜通过添加硅烷偶联剂接枝的花状水滑石，在复合膜中形成了新的离子传输通道，提升了膜的离子电导率；优选的，步骤(1)中，Mg2++Al3+的总摩尔浓度为0.1～0.4mol/L，Mg2+：Al3+：尿素的摩尔比为2：1：6～18。优选的，步骤(1)中，水热反应温度120～180℃，水热反应时间1～24h；将水热反应得到的花状水滑石清洗多次，100℃干燥。优选的，步骤(2)中进行表面处理包括将花状水滑石的分散液与硅烷偶联剂进行搅拌反应；花状水滑石在乙醇溶液中经超声分散得其分散液；乙醇溶液中的去离子水：乙醇体积比为1～4；花状水滑石与硅烷偶联剂的比例为100mg/mL～1000mg/mL。优选的，所述的硅烷偶联剂为十二基二甲基[3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基]氯化铵、3-[三甲氧基硅基]丙基二甲基十八烷基氯化铵、四乙酸二甲基(3-三甲氧基硅基丙基)铵3-三乙氧基硅基丙基三甲基氯化铵中的任意一种。优选的，步骤(3)硅烷偶联剂接枝的花状水滑石超声分散在无水乙醇得其分散液；硅烷偶联剂接枝的花状水滑石的质量与无水乙醇的体积比例为1mg/mL～5mg/mL。优选的，所述季铵化壳聚糖的季铵化取代度为20～50％，季铵化壳聚糖溶液由季铵化壳聚糖溶解0.5vt％的醋酸溶液中得到，季铵化壳聚糖溶液的浓度为1wt％～4wt％，聚乙烯醇的浓度为1wt％～5wt％，季铵化壳聚糖与聚乙烯醇的质量比例为18～3：2。优选的，所述花状水滑石分散液与(季铵化壳聚糖+聚乙烯醇)的质量比为1～30:100，季铵化壳聚糖与聚乙烯醇的质量比例为18～3:2，(季铵化壳聚糖+聚乙烯醇)：戊二醛与(季铵化壳聚糖+聚乙烯醇)的质量比为100:1～100:10。一种花状水滑石复合碱性聚电解质膜，其由如上述的一种花状水滑石复合碱性聚电解质膜的制备方法制备。上述的花状水滑石复合碱性聚电解质膜在制备碱性聚电解质燃料电池中的应用。本专利技术利用硅烷偶联剂接枝的花状水滑石作填充材料，并以戊二醛与季铵化壳聚糖和聚乙烯醇反应形成互穿网络结构为膜基体，在两相协同作用下极大的提高了复合膜的拉升强度和碱性稳定性；本专利技术制备的复合膜通过添加硅烷偶联剂接枝的花状水滑石，在复合膜中形成了新的离子传输通道，提升了膜的离子电导率；综上所述，本专利技术制备的硅烷偶联剂接枝的花状水滑石复合碱性聚电解质膜有望在碱性聚电解质燃料电池领域有广阔的应用前景。附图说明图1为实施例1中所制备的花状水滑石的透射电镜图；图2为实施例1中所制备的花状水滑石在复合膜中的断面扫描电镜图；图3为实施例1中所制备的硅烷偶联剂接枝的花状水滑石在复合膜中的断面扫描电镜图。具体实施方式以下是本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步的描述，但本专利技术并不限于这些实施例。实施例1(1)将Mg(NO3)2·6H2O、Al(NO3)3·9H2O溶解在60mL乙二醇中配置成混合溶液，其中Al3+的摩尔浓度为0.033mol/L，Mg2+：Al3+：尿素摩尔比为2:1:6；(2)步骤(1)中的混合液室温搅拌0.5h，转移到水热反应釜180℃，水热反应6h，产物用去离子水跟无水乙醇各洗三次，100℃干燥12h得到产物；(3)将100mg步骤(2)中所得的花状水滑石分散在20mL体积比1：1的乙醇去离子水混合液中，经超声分散得到硅烷偶联剂接枝的花状水滑石的分散液，上述分散液中加入0.05mL十二基二甲基[3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基]氯化铵室温搅拌24h，产物用去离子水洗三次，室温真空干燥得到硅烷偶联剂接枝的花状水滑石；(4)取步骤(3)所得硅烷偶联剂接枝的花状水滑石50mg分散在10mL无水乙醇中，室温超声振荡1h后得到硅烷偶联剂接枝的花状水滑石分散液；(5)称取0.6g季铵化取代度为41％的季铵化壳聚糖(原料壳聚糖购至国药集团化学试剂有限公司，脱乙酰度：80％～95％，粘度：50～800mPa·s。季铵化壳聚糖的制备过程：将6g干燥的壳聚糖粉末溶解在300mL2vt％的乙酸水溶液中，加入150mL4wt％的NaOH水溶液碱化4.5h，然后用去离子水抽滤洗涤至滤液为中性；将上述碱化壳聚糖加入到200mL异丙醇中60℃下分散1.5h，取8.5g2,3-环氧丙基三甲基氯化铵为季铵化试剂，在80℃下反应8h得到季铵化壳聚糖；通过电导滴定测定Cl-含量确定其季铵化取代度为41％)加入20mL为0.5vt％的醋酸溶液使季铵化壳聚糖溶解，得到浓度为3wt％溶液；(6)称取0.4g聚乙烯醇(原料聚乙烯醇购至国药集团化学试剂有限公司，数均聚合度1750±50)加入到10mL去离子水中，在90℃下溶解后，得到浓度为4wt％溶液，再与步骤(7)所得的季铵化壳聚糖溶液混合均匀，得到膜基体溶液；(7)将步骤(6)所得的硅烷偶联剂接枝的花状水滑石分散液与步骤(8)所得的季铵化壳聚糖和聚乙烯醇溶液混合，室温搅拌4h后加入(季铵化壳聚糖+聚乙烯醇):戊二醛质量比为100:2的戊二醛，室温下搅拌1h后室温超声分散0.5h得到铸膜液，经溶液浇铸、干燥、冷却后揭膜，将膜浸泡在1mol/L的氢氧化钠溶液24h中离子交换最后泡在去离子水中24h，得到OH-型硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种花状水滑石复合碱性聚电解质膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)将含Mg

【技术特征摘要】
1.一种花状水滑石复合碱性聚电解质膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)将含Mg2+、Al3+、尿素和乙二醇的混合溶液进行水热反应得花状水滑石；(2)利用硅烷偶联剂对花状水滑石进行表面处理，得到硅烷偶联剂接枝的花状水滑石；(3)将硅烷偶联剂接枝的花状水滑石的分散液与季铵化壳聚糖溶液和聚乙烯醇溶液在交联剂的存在下混合得到铸膜液；(4)铸膜液经溶液浇铸、干燥、冷却、揭膜、离子交换，即得花状水滑石复合碱性聚电解质膜。2.如权利要求1所述的一种花状水滑石复合碱性聚电解质膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，Mg2++Al3+的总摩尔浓度为0.1～0.4mol/L，Mg2+：Al3+：尿素的摩尔比为2：1：6～18。3.如权利要求2所述的一种花状水滑石复合碱性聚电解质膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，水热反应温度120～180℃，水热反应时间1～24h；将水热反应得到的花状水滑石清洗多次，100℃干燥。4.如权利要求1-3任一项所述的一种花状水滑石复合碱性聚电解质膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中进行表面处理包括将花状水滑石的分散液与硅烷偶联剂进行搅拌反应；花状水滑石在乙醇溶液中经超声分散得其分散液；乙醇溶液中的去离子水：乙醇体积比为1～4；花状水滑石与硅烷偶联剂的比例为100mg/mL～1000mg/mL。5.如权利要求4所述的一种花状水滑石复合碱性聚电解质膜的制备方法，其特征在于，所述的硅烷偶...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚春丽，赵舒俊，文胜，刘海，汪广进，张丙清，胡富强，钟菲，汪杰，郑根稳，
申请(专利权)人：湖北工程学院，
类型：发明
国别省市：湖北,42