一种质子交换膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种质子交换膜的制备方法，所述质子交换膜的制备方法包括以下步骤：将受阻胺接枝到未改性碳量子点表面，得到受阻胺改性碳量子点；将所述受阻胺改性碳量子点、全氟磺酸树脂以及醇溶液混合均匀，得到聚合物浆料；根据所述聚合物浆料，得到质子交换膜。本发明专利技术在未改性碳量子点的基础上接枝受阻胺和全氟磺酸树脂，能够制备抗氧化性能较强的质子交换膜，从而提高了质子交换膜的化学稳定性和使用寿命。用寿命。用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜的制备方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，特别涉及一种质子交换膜的制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为燃料电池的重要分支，除了具有燃料电池的一般性优点（能量转换效率高、环境友好）之外，还具有室温下启动速度快、体积小、无电解液损失、容易排水、寿命长、比功率以及比能量高等优点。质子交换膜（PEM）是氢氧燃料电池的核心部件之一，质子交换膜为质子的迁移和输送提供了通道，同时能够起到阻隔阳极燃料和阴极氧化物的作用，使得氢氧燃料电池的性能和质子交换膜的性能密切相关。
[0003]由于全氟磺酸树脂（PFSA）具有出色的热稳定性、高离子电导率以及出色的电化学性能，因此，全氟磺酸树脂成为质子交换膜最有前景的使用材料之一。受到自由基、冷热干湿循环以及机械应力的影响，导致由全氟磺酸树脂制备的质子交换膜的性能在使用过程中容易缓慢衰减。在质子交换膜工作的状态下，电化学副反应原位生成过氧化氢，过氧化氢在金属离子的作用下，形成高反应活性的自由基（包括H
·
，HO
·
和HOO
·
），由于全氟磺酸树脂在自由基的攻击下，全氟磺酸分子的侧链官能团甚至主链的C
‑
F键会发生断裂和解聚，从而降低了质子传导位点和聚合物的分子量，使得质子交换膜容易被破坏，因此，质子交换膜的化学降解是性能缓慢衰减最重要的因素。
[0004]在现有技术中，在质子交换膜中添加自由基清除剂或淬灭剂可降低自由基对全氟磺酸树脂的攻击。例如，在质子交换膜中引入过渡金属阳离子（Ce
3+
、Mn
2+
以及Zr
2+
）和/或氧化物（CeO2、MnO2以及ZrO2），可有效提高全氟磺酸树脂聚合物的化学稳定性。但是，由于全氟磺酸树脂中的
‑
SO3H基团中的H
+
容易被过渡金属阳离子交换，因此，传输质子的跳跃位点会减少，同时质子的传输途径会阻断，导致质子膜质子传导率降低和膜电极的性能变差。更重要的是，经过X射线荧光分析表明，部分阳离子会从质子交换膜内部迁移到膜电极外部，随着阳离子浓度的降低，自由基清除能力也将逐渐降低，从而影响质子交换膜的抗氧化能力，进而缩短了燃料电池的使用寿命。在质子交换膜中引入氧化物（CeO2、MnO2以及ZrO2），可有效提高燃料电池的化学稳定性且氧化物粒子难以迁移，但是，CeO2或MnO2纳米粒子在全氟磺酸树脂聚合物中具有较大的粒径（> 100 nm）和较差的分散性，导致自由基清除基团无法均匀分布在质子交换膜上，并且CeO2容易降低质子交换膜的结晶度，阻塞质子的传输通道和减少质子传导位点，从而显著降低了质子交换膜的尺寸稳定性和质子传导性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于提供一种质子交换膜的制备方法，旨在解决现有技术中的过渡金属阳离子和/或氧化物产生的技术问题。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案为：一种质子交换膜的制备方法，包括：将受阻胺接枝到未改性碳量子点表面，得到受阻胺改性碳量子点；
将所述受阻胺改性碳量子点、全氟磺酸树脂以及醇溶液混合均匀，得到聚合物浆料；根据所述聚合物浆料，得到质子交换膜。
[0007]优选地，所述未改性碳量子点的制备包括：在水热反应中将碳源和水分散均匀后，得到前驱体溶液；使所述前驱体溶液在预设温度和预设时间下碳化，得到碳量子点；对所述碳量子点进行离心、浓缩处理，得到处理后的未改性碳量子点。
[0008]优选地，所述碳源为小分子多元酸。
[0009]优选地，所述小分子多元酸为柠檬酸、葡萄糖、壳聚糖以及氨基酸中的一种或多种。
[0010]优选地，所述方法还包括：在催化剂的作用下，将受阻胺接枝到碳量子点表面。
[0011]优选地，所述催化剂为活化羧基基团缩合剂或碳鎓类缩合剂。
[0012]优选地，根据所述聚合物浆料，得到质子交换膜包括：将所述聚合物浆料涂覆至背膜上，形成第一聚合层；在所述第一聚合层背离所述背膜的一侧复合微孔层；在所述微孔层背离所述第一聚合层的一侧涂覆所述聚合物浆料，形成第二聚合层，并得到未固化的质子交换膜；对未固化的质子交换膜进行干燥
‑
热处理，得到质子交换膜。
[0013]优选地，所述方法还包括：对所述质子交换膜中的碳量子点进行活化处理，得到活化后的质子交换膜。
[0014]优选地，对所述质子交换膜中的碳量子点进行活化处理包括：在过氧化氢和杂多酸的条件下，对所述质子交换膜中的碳量子点进行活化处理。
[0015]优选地，所述受阻胺为2,2,6,6
‑
四甲基哌啶及其衍生物、1,2,2,6,6
‑
五甲基哌啶及其衍生物以及咪唑类含氮杂环中的任意一种。
[0016]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：由于碳量子点的粒径较小，使得碳量子点具有较好的分散性，因此，碳量子点能够均匀地分布在聚合物浆料中，从而提高质子交换膜的尺寸稳定性和机械强度。由于碳量子点表面具有大量的不饱和键，大量的不饱和键能够实现活性自由基的电荷转移，从而提高了质子交换膜的抗氧化能力。并且大量的不饱和键使碳量子点易于被功能化，因此，碳量子点表面能够接枝更多的受阻胺，从而提高了质子交换膜的抗氧化能力。由于碳量子点表面上具有大量的羟基（
‑
OH）和羧基（
‑
COOH），受阻胺上具有大量的氨基（
‑
NH2），
‑
OH、
‑
COOH以及
‑
NH2都是亲水基团，使得受阻胺改性碳量子点和全氟磺酸树脂具有较好的相容性, 因此，受阻胺改性碳量子点和全氟磺酸树脂能够直接混合而不易凝胶，使得受阻胺改性碳量子点和全氟磺酸树脂能够紧密结合，使得水和质子容易通过质子交换膜，而空气不易通过质子交换膜，从而提高了质子交换膜的质子传导率。由于受阻胺上的碱性基团不仅能够与全氟磺酸树脂上的磺酸基团形成氢键，而且能够与全氟磺酸树脂的分子链相互缠结，使得碳量子点能够可靠地固定在质子交换膜的内部，因此，能够避免因碳量子点的迁移而导致自由基清除能力的降低，从而保证了自由基的清除能力，并且碳量子点上的不饱和键也具
有自由基的清除能力，从而进一步提高了自由基的清除能力。本申请在未改性碳量子点的基础上接枝受阻胺和全氟磺酸树脂，能够制备抗氧化性能较强的质子交换膜，从而提高了质子交换膜的化学稳定性和使用寿命。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0018]图1是根据本专利技术的一个实施例的质子交换膜的制备方法的流程图；图2是根据本专利技术的一个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜的制备方法，其特征在于，包括：将受阻胺接枝到未改性碳量子点表面，得到受阻胺改性碳量子点；将所述受阻胺改性碳量子点、全氟磺酸树脂以及醇溶液混合均匀，得到聚合物浆料；根据所述聚合物浆料，得到质子交换膜。2.根据权利要求1所述质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述未改性碳量子点的制备包括：在水热反应中将碳源和水分散均匀后，得到前驱体溶液；使所述前驱体溶液在预设温度和预设时间下碳化，得到碳量子点；对所述碳量子点进行离心、浓缩处理，得到处理后的未改性碳量子点。3.根据权利要求2所述质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述碳源为小分子多元酸。4.根据权利要求3所述质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述小分子多元酸为柠檬酸、葡萄糖、壳聚糖以及氨基酸中的一种或多种。5.根据权利要求1所述质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：在催化剂的作用下，将受阻胺接枝到碳量子点表面。6.根据权利要求5所述质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述催化剂为活化羧基基团缩合剂或碳鎓类缩合剂。7.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄衡恢，张立，樊建涛，黄逸斐，
申请(专利权)人：深圳市通用氢能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：