一种复合碱性聚电解质膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术的一种复合碱性聚电解质膜的制备方法，包括以下步骤：(1)利用铝镁水滑石对纳米二氧化硅进行表面处理，水滑石包覆的纳米二氧化硅；(2)将水滑石包覆的纳米二氧化硅的分散液与硅烷偶联剂进行反应得硅烷偶联剂接枝的水滑石包覆纳米二氧化硅；(3)将硅烷偶联剂接枝的水滑石包覆纳米二氧化硅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，再将所述铸膜液进行溶液浇铸得到复合碱性聚电解质膜。本发明专利技术极大的提高了复合膜的拉伸强度和碱性稳定性；通过添加硅烷偶联剂接枝的水滑石包覆二氧化硅，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；有望在碱性聚电解质燃料电池领域有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种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
，尤其涉及一种复合碱性聚电解质膜及其制备方法和应用。
技术介绍
随着人们对清洁能源的需求逐渐增长，燃料电池引起了越来越多的关注。尤其是碱性聚电解质膜燃料电池，由于在碱性环境中运行，其反应动力学更快，无需使用贵金属催化剂从而降低了生产成本，因此而成为未来最有前景的车用动力电源和便携式电源之一。但是，作为碱性聚电解质膜燃料电池的核心部件之一，碱性聚电解质膜不足的离子电导率和化学稳定性阻碍了碱性聚电解质膜燃料电池的发展，为解决以上问题，一些研究集中在对碱性聚电解质膜的聚合物基体进行分子结构设计，常用聚合物有聚砜、聚苯醚等，但这些芳族聚合物的阳离子化工艺复杂，特别是制备过程中需使用易致癌试剂，不适宜大规模生产。壳聚糖是一种天然碱性聚电解质，其阳离子化制备工艺简单、OH-电导率高，近年来已成为聚电解质研究领域中的焦点，并已在质子交换膜燃料电池中得到了广泛应用。季铵化是使壳聚糖获得OH-传导能力的主要途径之一，然而提高季铵化度虽能提高壳聚糖的电导率，但同时会使壳聚糖强烈吸水溶胀而降低其机械强度，构建互穿网络能提高壳聚糖膜的机械强度但同时OH-电导率也相应降低。有机-无机复合是提高膜综合性能的简单有效途径，常用的无机物有SiO2、TiO2、Al2O3、ZrO2、蒙脱土、石墨烯、碳纳米管、水滑石。在这些无机物里，SiO2由于其优异的物理和化学性能而被广泛使用，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，因此一般需要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。GaohongHe【JournalofSolidStateChemistry,2017,246:324-328】等将咪唑功能化二氧化硅加入咪唑聚砜基体中，有效的提升了聚砜基体的离子电导率，然而复合膜的碱性稳定性并未得到提升。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化合物，其离子电导率可达10-3S/cm，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。
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，提出一种性能好的复合碱性聚电解质膜及其制备方法和应用。本专利技术的一种复合碱性聚电解质膜的制备方法，包括以下步骤：(1)利用铝镁水滑石对纳米二氧化硅进行表面处理，水滑石包覆的纳米二氧化硅；(2)将水滑石包覆的纳米二氧化硅的分散液与硅烷偶联剂进行反应得硅烷偶联剂接枝的水滑石包覆纳米二氧化硅；(3)将硅烷偶联剂接枝的水滑石包覆纳米二氧化硅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、揭膜和离子交换得复合碱性聚电解质膜。优选的，步骤(1)中的表面处理包括将纳米二氧化硅的分散液与含Mg2+、Al3+混合水溶液进行搅拌反应,同时滴加NaOH水溶液保持混合溶液的pH保持在9～11；对搅拌反应后得到的混合产物进行离心沉淀，再洗涤、干燥。所述纳米二氧化硅的分散液是将先将所述纳米二氧化硅在离子水中超声分散0.5～3h，然后加入继续超声分散0.5～1h；其中纳米二氧化硅浓度为5mg/mL～25mg/mL,碳酸钠浓度为0.024～0.120mol/L；所述纳米SiO2粒径为100nm～500nm，超声分散在室温下进行1～4h。优选的，Al3+的摩尔浓度为0.015～0.037mol/L，Mg2+和Al3+的摩尔比为1～4；NaOH的浓度为1～4mol/L。优选的，步骤(2)中的反应包括将水滑石包覆的二氧化硅经超声分散在乙醇溶液，然后加入硅烷偶联剂室温搅拌12～24h，反应产物水洗，干燥；乙醇溶液用去离子水配置，其中乙醇与离子水体积比为1～4：1；水滑石包覆的二氧化硅的质量与硅烷偶联剂的比例为100mg/mL～1000mg/mL；优选的，所述硅烷偶联剂为3-[三甲氧基硅基]丙基二甲基十八烷基氯化铵、3-三乙氧基硅基丙基三甲基氯化铵、四乙酸二甲基(3-三甲氧基硅基丙基)铵、N,N-二癸基-N-甲基-N-(3-三甲氧基硅基丙基)氯化铵中的任意一种。优选的，步骤(3)中的反应包括将硅烷偶联剂接枝的水滑石包覆二氧化硅超声分散在无水乙醇中，然后将季铵化壳聚糖溶液和聚乙烯醇溶液的混合液加入上述分散液中搅拌1～4h，然后再加入交联剂室温下继续搅拌1～4h进行化学交联，最后超声振荡0.5～1h得到铸膜液。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，所述硅烷偶联剂接枝的水滑石包覆二氧化硅的质量与去无水乙醇的体积比例为1mg/mL～5mg/mL，其中硅烷偶联剂接枝的水滑石包覆的二氧化硅与季铵化壳聚糖+聚乙烯醇的质量比为1～30:100；季铵化壳聚糖+聚乙烯醇与戊二醛的质量比为100:1～10。一种复合碱性聚电解质膜，由上述的一种复合碱性聚电解质膜的制备方法制备。上述的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，并以硅烷偶联剂接枝的水滑石包覆二氧化硅作填充材料，在两相协同作用下极大的提高了复合膜的拉伸强度和碱性稳定性；本专利技术制备的复合膜通过添加硅烷偶联剂接枝的水滑石包覆二氧化硅，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水滑石包覆二氧化硅互穿网络型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中所制备的镁铝水滑石包覆二氧化硅的X射线衍射图；图2为实施例1中所制备的镁铝水滑石包覆二氧化硅的透射电镜图；图3为实施例1中所制备的镁铝水滑石包覆二氧化硅在复合膜中的断面扫描电镜图；图4为实施例1中所制备的硅烷偶联剂接枝的镁铝水滑石包覆二氧化硅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。(1)将Mg(NO3)2·6H2O、Al(NO3)3·9H2O溶解在20mL去离子水中配置成混合溶液，其中Al3+的摩尔浓度为0.037mol/L，Mg2+：Al3+摩尔比为1:1；(2)称取0.8gNaOH溶解于20mL脱CO2的去离子水中，配制成1mol/L的NaOH水溶液；(3)取50mg100nmSiO2(二氧化硅制备过程：在三口烧瓶中先加入225mL的无水乙醇，再加入10mL氨水搅拌均匀，然后迅速加入25mL正硅酸四乙酯，在60℃水浴中加热搅拌4h。经高速离心分离出SiO2纳米粒子，经无水乙醇反复离心洗涤至上层清液为中性，干燥固体后即得到SiO2粉末，粒径分析SiO2为100nm)超声0.5h分散在去离子水中，然后加入0.024mol/L碳酸钠继续超声0.5h；(4)向步骤(3)所得SiO2分散液中滴加步骤(1)的混合盐溶液，滴加速率控制在30mL/h，同时滴加步骤(2)中NaOH水溶液使混合溶液的pH保持本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合碱性聚电解质膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用铝镁水滑石对纳米二氧化硅进行表面处理，得到水滑石包覆的纳米二氧化硅；(2)将水滑石包覆的纳米二氧化硅的分散液与硅烷偶联剂进行反应，得到硅烷偶联剂接枝的水滑石包覆纳米二氧化硅；(3)将硅烷偶联剂接枝的水滑石包覆纳米二氧化硅的分散液、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、揭膜和离子交换得复合碱性聚电解质膜。

【技术特征摘要】
1.一种复合碱性聚电解质膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用铝镁水滑石对纳米二氧化硅进行表面处理，得到水滑石包覆的纳米二氧化硅；(2)将水滑石包覆的纳米二氧化硅的分散液与硅烷偶联剂进行反应，得到硅烷偶联剂接枝的水滑石包覆纳米二氧化硅；(3)将硅烷偶联剂接枝的水滑石包覆纳米二氧化硅的分散液、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、揭膜和离子交换得复合碱性聚电解质膜。2.如权利要求1所述的一种复合碱性聚电解质膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的表面处理包括将纳米二氧化硅的分散液与含Mg2+、Al3+混合水溶液进行搅拌反应,同时滴加NaOH水溶液保持混合溶液的pH保持在9～11；对搅拌反应后得到的混合产物进行离心沉淀，再洗涤、干燥；所述纳米二氧化硅的分散液是将先将所述纳米二氧化硅在离子水中超声分散0.5～3h，然后加入继续超声分散0.5～1h；其中纳米二氧化硅浓度为5mg/mL～25mg/mL,碳酸钠浓度为0.024～0.120mol/L；所述纳米SiO2粒径为100nm～500nm，超声分散在室温下进行1～4h。3.如权利要求2所述的一种复合碱性聚电解质膜的制备方法，其特征在于，Al3+的摩尔浓度为0.015～0.037mol/L，Mg2+和Al3+的摩尔比为1～4；NaOH的浓度为1～4mol/L。4.如权利要求1-3任一项所述的一种复合碱性聚电解质膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的反应包括将水滑石包覆的二氧化硅经超声分散在乙醇溶液，然后加入硅烷偶联剂室温搅拌12～24h，反应产物水洗，干燥；乙醇溶液用去离子水配置，其中乙醇与离子水体积比为1～4：1；水滑石包覆的二氧化硅...

【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