高质子传导率、高耐久性质子交换膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种高质子传导率、高耐久性质子交换膜，包括聚合物基底和分散于所述聚合物基底中的CeO2/电气石微纳米复合材料，所述CeO2/电气石微纳米复合材料的质量占所述质子交换膜的总质量为1％～15％，其中，所述CeO2/电气石微纳米复合材料为以CeO2为外壳自组装，电气石颗粒为内核构建的分层包裹的核壳结构。本发明专利技术制得的质子交换膜可以在实现高质子传导率以及良好的化学和热稳定性。导率以及良好的化学和热稳定性。导率以及良好的化学和热稳定性。

【技术实现步骤摘要】
高质子传导率、高耐久性质子交换膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及质子交换膜燃料电池
，尤其是涉及一种高质子传导率、高耐久性质子交换膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]世界范围内的能源短缺问题越来越严重。传统的化石燃料存在不可再生能量转化效率低且环境污染严重的问题。因此，提高能源的转换效率和寻求清洁新能源变得越来越迫切。质子交换膜燃料电池作为一种新型的能源技术，能够将化学能直接转化为电能，被广泛用于轻型汽车、便携式电源以及小型驱动装置，因为他们的高功率密度，高能量转换率，启动温度低和环境友好等优点。然而如何制备高质子传导率、高稳定性、价格低廉、安全可靠的质子交换膜是目前亟待解决的问题。
[0003]为了提高质子交换膜的质子传导率和耐久性，以往的研究人员在聚合物基体中加入二氧化硅、粘土、功能化二氧化硅纳米颗粒、磺化海泡石、多壁碳纳米管、g
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C3N4等无机纳米复合材料以提高膜的综合性能。此外二氧化铈(CeO2)广泛应用于催化剂层质子交换膜作为自由基清除剂提高燃料电池装置中膜的耐久性，但这将不可避免地导致质子电导率的降低。此外所有这些纳米粒子都很容易在复合材料中团聚由于界面兼容性差，导致力学性能下降。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了解决上述问题而提供一种高质子传导率、高耐久性质子交换膜及其制备方法和应用，在提高质子交换膜的质子传导率的同时，还改善目前的质子交换膜的耐久性差而造成的质子交换膜的性能差的缺陷。
[0005]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0006]一种高质子传导率、高耐久性质子交换膜，包括聚合物基底和分散于所述聚合物基底中的CeO2/电气石微纳米复合材料，所述CeO2/电气石微纳米复合材料的质量占所述质子交换膜的总质量为1％～15％。
[0007]进一步地，所述聚合物基底为全氟磺酸树脂。
[0008]进一步地，所述CeO2/电气石微纳米复合材料是以CeO2为外壳、电气石颗粒为内核构建的分层包裹的核壳结构。
[0009]一种高质子传导率、高耐久性质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：
[0010](1)提供聚合物基底的溶液；
[0011](2)提供CeO2/电气石微纳米复合材料；
[0012](3)将CeO2/电气石微纳米复合材料分散于聚合物基底的溶液中，固化质子交换膜的分散液，即得到质子交换膜。
[0013]进一步地，步骤(1)具体方法为，将全氟磺酸树脂加入到水、异丙醇、DMF的混合溶剂中，在室温下搅拌，得到PFSA离聚物溶液。
[0014]进一步地，所述混合溶剂中水、异丙醇、DMF的质量比为4:4:2；所述全氟磺酸树脂与混合溶剂的质量比为28：72。
[0015]进一步地，步骤(2)具体方法为，将六水合硝酸铈、尿素、十二烷基磺酸钠溶解于水中，并加入电气石粉末，然后溶剂热反应一段时间，冷却，过滤，干燥，煅烧，得到所述CeO2/电气石微纳米复合材料。
[0016]进一步地，所述溶剂热反应的温度为80℃～130℃，干燥温度为60℃～120℃；煅烧温度为400℃～600℃。
[0017]进一步地，步骤(3)具体方法为，将溶液倒入平板玻璃上，用线棒刮涂，之后在电热鼓风干燥箱中干燥，然后退火处理，成膜得到复合膜，成膜后再将复合膜在H2SO4溶液中处理，清洗后将复合膜烘干。
[0018]一种高质子传导率、高耐久性质子交换膜的应用，所述质子交换膜用于制作燃料电池。
[0019]本专利技术质子交换膜，包括聚合物基底和分散于聚合物基底中的CeO2/电气石纳米复合材料。电气石作为一种珍贵的天然非金属材料，具有独特的性能异极对称结构和自发极化。由于电气石自发极化效应，其晶体中产生的半径为几微米的电偶极子或更小的颗粒周围可能会形成静电场。这种化学物质具有一定的吸水性，这在一定程度上起到传输质子的作用。本专利技术利用电气石的极化效应，在其表面生长CeO2，并结合电气石和CeO2的优势采用溶液浇铸法制备了以CeO2/电气石为添加剂的离子聚合物复合膜。与CeO2复合膜以及均质膜相比，CeO2/电气石复合膜可以分散在聚合物基体中更均匀，结块更少，增加复合膜的质子导电性并降低CeO2损失，同时还显著提高了膜的化学耐久性。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0021]1、本专利技术通过合成具有核壳结构的CeO2/电气石微纳米复合材料，将具有抗自由基性能的CeO2固定在电气石表面，这种核壳结构不仅提高了质子交换膜的耐久性，还提高了质子交换膜的质子传导率。
[0022]2、本专利技术制得的复合质子交换膜表面在SEM下观察是致密稳定的，符合燃料电池的应用要求，适合商业化生产。
附图说明
[0023]图1为本专利技术对比例1中质子交换膜的SEM表面图像；
[0024]图2为本专利技术实施例6所制备得质子交换膜的SEM表面图像。
具体实施方式
[0025]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。
[0026]实施例1
[0027]一种CeO2/电气石微纳米复合材料的制备方法，使用0.3mol六水合硝酸铈作为铈源，1.3mol尿素作为前体，以及0.0375g十二烷基磺酸钠作为表面活性剂。将上述三种试剂溶解在100ml水溶液中，并加入0.1047g电气石粉末，在室温下超声处理5min后，将混合物搅拌30min。之后在100℃的油浴中进一步搅拌2h，然后冷却至室温，然后通过过滤，在70℃干燥。并在400℃下马弗炉中煅烧2h。得CeO2/电气石微纳米复合材料。
[0028]实施例2
[0029]一种CeO2/电气石微纳米复合材料的制备方法，使用0.3mol六水合硝酸铈作为铈源，1.3mol尿素作为前体，以及0.0375g十二烷基磺酸钠作为表面活性剂。将上述三种试剂溶解在100ml水溶液中，并加入0.2105g电气石粉末，在室温下超声处理5min后，将混合物搅拌30min。之后在100℃的油浴中进一步搅拌2h，然后冷却至室温，然后通过过滤，在70℃干燥。并在400℃下马弗炉中煅烧2h，得CeO2/电气石微纳米复合材料。
[0030]实施例3
[0031]一种CeO2/电气石微纳米复合材料的制备方法，使用0.3mol六水合硝酸铈作为铈源，1.3mol尿素作为前体，以及0.0375g十二烷基磺酸钠作为表面活性剂。将上述三种试剂溶解在100ml水溶液中，并加入0.3174g电气石粉末，在室温下超声处理5min后，将混合物搅拌30min。之后在100℃的油浴中进一步搅拌2h，然后冷却至室温，然后通过过滤，在70℃干燥。并在400℃下马弗炉中煅烧2h。得CeO2/电气石微纳米复合材料。
[0032]实施例4
[0033]一种CeO2/电气石微纳米复合材料的制备方法，使用0.3mol六水合硝酸铈作为铈源，1.3mol尿素作为前体，以及0.0375g十二烷基磺酸钠作为表面活性剂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高质子传导率、高耐久性质子交换膜，其特征在于，包括聚合物基底和分散于所述聚合物基底中的CeO2/电气石微纳米复合材料，所述CeO2/电气石微纳米复合材料的质量占所述质子交换膜的总质量为1％～15％。2.根据权利要求1所述的一种高质子传导率、高耐久性质子交换膜，其特征在于，所述聚合物基底为全氟磺酸树脂。3.根据权利要求1所述的一种高质子传导率、高耐久性质子交换膜，其特征在于，所述CeO2/电气石微纳米复合材料是以CeO2为外壳、电气石颗粒为内核构建的分层包裹的核壳结构。4.如权利要求1所述的一种高质子传导率、高耐久性质子交换膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)提供聚合物基底的溶液；(2)提供CeO2/电气石微纳米复合材料；(3)将CeO2/电气石微纳米复合材料分散于聚合物基底的溶液中，固化质子交换膜的分散液，即得到质子交换膜。5.根据权利要求4所述的一种高质子传导率、高耐久性质子交换膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)具体方法为，将全氟磺酸树脂加入到水、异丙醇、DMF的混合溶剂中，在室温下搅拌，得到PFSA离聚物溶液。6.根据权利要求5所述的一种高质...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴素朋，徐康伟，张维，韩志越，马佳璐，张英格，刘贵鹏，徐晓钧，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，
类型：发明
国别省市：