用于质子交换膜燃料电池的质子交换膜及其制备方法技术

本发明专利技术属于燃料电池技术领域，公开了用于质子交换膜燃料电池的质子交换膜及其制备方法。质子交换膜的制备方法包括以下步骤：S1、将强酸溶液和氟盐混合，得到混合液，再将MXene前驱体加入混合液中进行刻蚀；S2、将刻蚀后的MXene前驱体进行超声处理，制得MXene材料；S3、将MXene材料与铈盐混合进行水热反应，制得CeO2/MXene复合材料；S4、采用CeO2/MXene复合材料和Nafion为原料进行制膜即可。本发明专利技术通过得到形貌良好的CeO2/MXene复合材料，再以CeO2/MXene复合材料和Nafion为原料制得的质子交换膜，具有优异的化学耐久性、质子电导率和尺寸稳定性。和尺寸稳定性。和尺寸稳定性。

【技术实现步骤摘要】
用于质子交换膜燃料电池的质子交换膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于燃料电池
，特别涉及用于质子交换膜燃料电池的质子交换膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其比功率高、能量密度大、可低温冷启动和零污染等特点，近些年来受到越来越多研究人员的重视。质子交换膜作为燃料电池的核心部件，其电导率、尺寸稳定性和化学耐久性对燃料电池的正常运行具有重要意义。目前影响质子交换膜稳定性主要有物理和化学两方面，物理方面主要是由于制备质子交换膜的全氟磺酸树脂(Nafion)具有吸水溶胀的特性，由此产生的溶胀应力在燃料电池长期运行时对膜造成破坏；在化学方面，由于燃料电池运行过程中会不可避免的产生过氧化氢，过氧化氢与膜中痕量的金属离子发生芬顿(Fenton)反应，并产生羟基自由基攻击膜中的缺陷位点，引起全氟磺酸树脂发生降解，最终使膜失效。

技术实现思路

[0003]本专利技术旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出用于质子交换膜燃料电池的质子交换膜及其制备方法，本专利技术制备的质子交换膜具有优异的稳定性、质子电导率和尺寸稳定性。
[0004]本专利技术的第一方面在于提供一种质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：
[0005]S1、将强酸溶液和氟盐混合，得到混合液，再将MXene前驱体加入所述混合液中进行刻蚀；
[0006]S2、将所述刻蚀后的MXene前驱体进行超声处理，制得MXene材料；
[0007]S3、将所述MXene材料与铈盐混合进行水热反应，制得CeO2/MXene复合材料；
[0008]S4、采用所述CeO2/MXene复合材料和Nafion为原料进行制膜，得到质子交换膜。
[0009]传统提高质子交换膜的稳定性的方法大多是在膜中掺入自由基清除剂如氧化铈等，但直接掺入氧化铈会造成膜电导率下降，并且在电池运行过程中，自由基清除剂会较快流失。本专利技术采用强酸溶液和氟盐的混合液对MXene前驱体进行刻蚀，能最大程度保留其完整形貌，刻蚀后的MXene前驱体需进行超声处理，以形成具有较大面积的单片层结构的MXene材料。单片层的MXene材料有利于CeO2在其表面均匀地生长成单颗粒，而均匀生长的CeO2在自由基清除和防止流失方面具有显著的提升效果。最后将CeO2/MXene复合材料与Nafion制备得到质子交换膜。由于MXene材料是一种类石墨烯二维纳米材料，其具有高的比表面积、良好的导电性，有助于在膜内构建长程连续质子传递通道；CeO2具有自由基清除功能，两者结合使得质子交换膜具有优异的稳定性和质子电导率。另外，CeO2/MXene复合材料与Nafion树脂聚合物有良好的界面相容性，有助于提高机械强度；CeO2/MXene复合材料还可抑制质子交换膜的溶胀，从而提高尺寸稳定性。
[0010]优选地，步骤S1中，所述强酸溶液的浓度为6
‑
12mol/L，每10mL所述强酸溶液对应
添加0.8
‑
1.2g氟盐和0.5
‑
1.2gMXene前驱体。
[0011]优选地，步骤S1中，所述刻蚀的温度为33
‑
37℃，时间为46
‑
50h。
[0012]优选地，步骤S2中，所述超声处理的功率为80
‑
240w，时间为1
‑
3h。
[0013]优选地，步骤S3中，所述铈盐与所述MXene材料的质量比为1:(1
‑
2)；所述水热反应的温度为140
‑
200℃，时间为12
‑
36h。
[0014]优选地，步骤S4中，所述Nafion与所述溶剂的质量比为1:(3
‑
80)，所述CeO2/MXene复合材料与所述Nafion的质量比为1:(10
‑
100)。
[0015]优选地，步骤S4中，所述溶剂包括N,N
‑
二甲基乙酰胺、二甲基亚砜或N,N
‑
二甲基甲酰胺。
[0016]本专利技术的第二方面在于提供一种质子交换膜，其采用本专利技术所述的制备方法制备而成。
[0017]本专利技术的第三方面在于提供一种质子交换膜燃料电池，其包括本专利技术所述的质子交换膜。
[0018]相对于现有技术，本专利技术的有益效果以下：
[0019]本专利技术采用强酸溶液和氟盐的混合液对MXene前驱体进行刻蚀，能最大程度保留其完整形貌，刻蚀后再经过超声处理，使得CeO2有利于负载在MXene材料上，防止CeO2流失；最后采用CeO2/MXene复合材料和Nafion为原料制得的质子交换膜，具有优异的化学耐久性、质子电导率和尺寸稳定性。
附图说明
[0020]图1为实施例1制得的MXene
‑
Ti3C2的SEM图；
[0021]图2为实施例1制得的CeO2/MXene
‑
Ti3C2的SEM图；
[0022]图3为实施例1制得的质子交换膜的截面的SEM图；
[0023]图4为对比例1制得的MXene
‑
Ti3C2的SEM图；
[0024]图5为对比例1制得的CeO2/MXene
‑
Ti3C2的SEM图；
[0025]图6为对比例1制得的质子交换膜的截面的SEM图；
[0026]图7为对比例2制得的MXene
‑
Ti3C2的SEM图；
[0027]图8为对比例2制得的CeO2/MXene
‑
Ti3C2的SEM图；
[0028]图9为对比例2制得的质子交换膜的截面的SEM图；
[0029]图10为各质子交换膜的化学耐久性的测试结果示意图；
[0030]图11为各质子交换膜的质子电导率的测试结果示意图；
[0031]图12为各质子交换膜的机械强度的测试结果示意图；
[0032]图13为各质子交换膜的尺寸稳定性的测试结果示意图。
具体实施方式
[0033]为了让本领域技术人员更加清楚明白本专利技术所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例对本专利技术要求的保护范围不构成限制作用。
[0034]以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
[0035]实施例1
[0036]一种质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：
[0037]S1、将10mL的6mol/L的盐酸溶液与0.8g LiF混合，搅拌使LiF溶解均匀，然后加入0.5gTi3AlC2粉末，搅拌混合均匀，于35℃下进行刻蚀48h；
[0038]S2、将刻蚀后的产物进行离心分离，取沉淀物，用去离子水洗涤至中性，再将沉淀物加入去离子水中，于120W下，超声处理3h，然后进行离心分离，取上层液体，得到含有MXene<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，包括以下步骤：S1、将强酸溶液和氟盐混合，得到混合液，再将MXene前驱体加入所述混合液中进行刻蚀；S2、将所述刻蚀后的MXene前驱体进行超声处理，制得MXene材料；S3、将所述MXene材料与铈盐混合进行水热反应，制得CeO2/MXene复合材料；S4、采用所述CeO2/MXene复合材料和Nafion为原料进行制膜，得到质子交换膜。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述强酸溶液包括HCl溶液或H2SO4溶液；所述氟盐包括LiF或NaF；所述MXene前驱体包括Ti3AlC2或Ti2AlC；所述铈盐包括硝酸铈六水化合物、三氯化铈、醋酸铈或硫酸铈。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述强酸溶液的浓度为6
‑
12mol/L，每10mL所述强酸溶液对应添加0.8
‑
1.2g氟盐和0.5
‑
1.2gMXene前驱体。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述刻蚀的温度为33
‑
37℃，时间为46
‑
50h。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海宁，赵胜球，孟子寒，唐浩林，
申请(专利权)人：佛山仙湖实验室，
类型：发明
国别省市：