一种质子交换膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种质子交换膜及其制备方法和应用，涉及新材料技术领域。该质子交换膜包括以下重量份比的原料：1

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及新材料
，特别是涉及一种质子交换膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]由于化石能源的有限性以及化石能源燃烧带来的全球气候改变等问题，研究者们开始寻找一种洁净，可持续的能源，而燃料电池将化学能转化为电能的过程，不受卡诺循环的限制，能量转化效率高，电池产物清洁无污染，所以燃料电池逐渐地被科学家关注和研究。质子交换膜是燃料电池的核心部件之一，为质子的迁移和传输提供通道，其综合性能对开发高性能的燃料电池至关重要。
[0003]目前用于燃料电池的质子交换膜主要有Dupont公司的Nafion膜，Asahi Chemical公司的Aciplex膜，Dow公司的Dow膜等，其组成一般是四氟乙烯单体以及带磺酸基团的全氟乙烯基醚单体的共聚物，而这些碳氟高聚物具有优良的热稳定性以及化学稳定性，可以保证燃料电池的使用寿命。磺酸基团作为亲水基团可以起到保水作用且在高含水状态下(100％RH)可以提供高的质子传导率。但在燃料电池的运行过程中要保持高湿度环境，需要配备复杂的温度管理系统以及湿度管理系统，这将会极大的增加燃料电池的运行成本和能耗，进而限制燃料电池的大规模商业化运行。因此制备低湿度环境下具有高质子传导率的质子交换膜是未来燃料电池的必然研究趋势。

技术实现思路

[0004]针对上述技术问题，本专利技术提供一种质子交换膜，该质子交换膜采用植酸和聚乙烯亚胺修饰的介孔二氧化硅纳米颗粒、全氟磺酸为原料，植酸和聚乙烯亚胺修饰的介孔二氧化硅纳米颗粒、全氟磺酸形成两对酸碱对，通过跳跃机理可以显著提高低湿度环境下膜的质子传导性能。
[0005]本专利技术提供了一种质子交换膜，包括以下重量份比的原料：
[0006][0007]所述全氟磺酸溶液的浓度为20wt％
‑
30wt％。
[0008]现有技术中，为了制备能够在低湿度环境下具有高质子传导率的质子交换膜，研究者们采用的常规做法是向质子交换膜中添加亲水性的纳米颗粒，比如二氧化硅、二氧化锆、二氧化钛等，这些亲水颗粒的加入可以提高质子交换膜的保水性能以及离子传导率，但是提升效果相对有限。因此，本专利技术人提出了通过静电作用在介孔二氧化硅表面修饰聚乙烯亚胺(受体)和植酸(供体)，从而形成质子传输网络，同时，采用植酸和聚乙烯亚胺修饰的介孔二氧化硅纳米颗粒、全氟磺酸为原料，植酸和聚乙烯亚胺修饰的介孔二氧化硅纳米颗粒、全氟磺酸形成两对酸碱对，通过跳跃机理可以显著提高低湿度环境下膜的质子传导性
能；而在介孔二氧化硅表面修饰聚乙烯亚胺(受体)和植酸(供体)，从而形成质子传输网络，可以适用于燃料电池在低湿度环境运行，使质子交换膜具有优异的热稳定性和机械性能。
[0009]在其中一个实施例中，所述质子交换膜包括以下重量份比的原料：
[0010][0011]所述全氟磺酸溶液的浓度为20wt％
‑
30wt％。
[0012]在其中一个实施例中，所述植酸和聚乙烯亚胺修饰的介孔二氧化硅的制备方法包括以下步骤：
[0013]制备二氧化硅纳米颗粒：采用二氧化硅前驱体、水、表面活性剂、碱溶液，通过反向微乳液法，得到二氧化硅纳米颗粒；
[0014]制备介孔二氧化硅纳米颗粒：将所述二氧化硅纳米颗粒在盐酸的乙醇溶液中回流，离心，得到介孔二氧化硅纳米颗粒；
[0015]制备聚乙烯亚胺修饰的介孔二氧化硅：将所述介孔二氧化硅纳米颗粒在聚乙烯亚胺溶液中进行第一搅拌，离心，得到聚乙烯亚胺修饰的介孔二氧化硅；
[0016]制备植酸和聚乙烯亚胺修饰的介孔二氧化硅纳米颗粒：将所述聚乙烯亚胺修饰的介孔二氧化硅在植酸溶液中进行第二搅拌，离心，得到植酸和聚乙烯亚胺修饰的介孔二氧化硅纳米颗粒。
[0017]采用上述制备方法，能够通过静电作用在介孔二氧化硅表面修饰聚乙烯亚胺(受体)和植酸(供体)，从而形成质子传输网络。
[0018]在其中一个实施例中，所述制备二氧化硅纳米颗粒步骤中，所述二氧化硅前驱体、水、表面活性剂、碱溶液的重量份比如下所示：
[0019][0020]所述二氧化硅前驱体包括以下原料中的至少1种：正硅酸甲酯，正硅酸乙酯，正硅酸异丙酯，甲基三甲氧基硅烷，或二乙基二乙氧基硅烷；所述碱溶液包括以下原料中的至少1种：氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液，所述碱溶液的浓度为1
‑
3mol/L；所述表面活性剂包括以下原料中的至少1种：十六烷基三甲基溴化铵或十六烷基三甲基氯化铵。
[0021]在其中一个实施例中，所述制备二氧化硅纳米颗粒步骤中，所述二氧化硅前驱体、水、表面活性剂、碱溶液的重量份比如下所示：
[0022][0023][0024]在其中一个实施例中，所述制备二氧化硅纳米颗粒步骤中，所述反向微乳液法的
反应温度为20
‑
100℃，反应时间为0.5
‑
10h；所述盐酸的乙醇溶液采用体积比为1:(10
‑
30)的盐酸溶液和乙醇溶液配制得到，所述盐酸溶液的浓度为10
‑
14mol/L，所述乙醇溶液的体积百分浓度为80
‑
99.9％。
[0025]在其中一个实施例中，所述制备介孔二氧化硅纳米颗粒步骤中，所述回流的温度为50℃
‑
100℃，所述回流的时间为10
‑
100h；所述介孔二氧化硅纳米颗粒外径为50
‑
200nm，介孔尺寸为2
‑
10nm。
[0026]在其中一个实施例中，所述介孔二氧化硅纳米颗粒的介孔贯彻所述介孔二氧化硅纳米颗粒。
[0027]在其中一个实施例中，所述制备聚乙烯亚胺修饰的介孔二氧化硅步骤中，所述第一搅拌的时间为1
‑
50h，所述聚乙烯亚胺溶液的浓度为1
‑
20mg/ml；所述制备植酸和聚乙烯亚胺修饰的介孔二氧化硅纳米颗粒步骤中，所述第二搅拌的时间为1
‑
50h，所述植酸溶液的浓度为1
‑
20mg/ml。
[0028]在其中一个实施例中，所述全氟磺酸溶液中的全氟磺酸为四氟乙烯单体为主链和带磺酸基团的全氟乙烯基醚单体为支链的共聚物，所述全氟磺酸的当量重量为790
‑
810g/eq。
[0029]本专利技术还提供了所述质子交换膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0030]制备铸膜液：取原料，混合，搅拌，得到铸膜液；
[0031]制备质子交换膜：将所述铸膜液流延至玻璃板，干燥，即得。在其中一个实施例中，所述制备质子交换膜步骤中，所述干燥包括以下步骤：将所述铸膜液流延后的玻璃板置于50
‑
80℃下，进行15
‑
24h干燥，然后升温至100
‑
120℃，进行1
‑
5h的干燥，再升温至150
‑
180℃，进行1
‑
5h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，其特征在于，包括以下重量份比的原料：所述全氟磺酸溶液的浓度为20wt％
‑
30wt％。2.根据权利要求1所述的质子交换膜，其特征在于，所述植酸和聚乙烯亚胺修饰的介孔二氧化硅的制备方法包括以下步骤：制备二氧化硅纳米颗粒：采用二氧化硅前驱体、水、表面活性剂、碱溶液，通过反向微乳液法，得到二氧化硅纳米颗粒；制备介孔二氧化硅纳米颗粒：将所述二氧化硅纳米颗粒在盐酸的乙醇溶液中回流，离心，得到介孔二氧化硅纳米颗粒；制备聚乙烯亚胺修饰的介孔二氧化硅：将所述介孔二氧化硅纳米颗粒在聚乙烯亚胺溶液中进行第一搅拌，离心，得到聚乙烯亚胺修饰的介孔二氧化硅；制备植酸和聚乙烯亚胺修饰的介孔二氧化硅纳米颗粒：将所述聚乙烯亚胺修饰的介孔二氧化硅在植酸溶液中进行第二搅拌，离心，得到植酸和聚乙烯亚胺修饰的介孔二氧化硅纳米颗粒。3.根据权利要求2所述的质子交换膜，其特征在于，所述制备二氧化硅纳米颗粒步骤中，所述二氧化硅前驱体、水、表面活性剂、碱溶液的重量份比如下所示：所述二氧化硅前驱体包括以下原料中的至少1种：正硅酸甲酯，正硅酸乙酯，正硅酸异丙酯，甲基三甲氧基硅烷，或二乙基二乙氧基硅烷；所述碱溶液包括以下原料中的至少1种：氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液，所述碱溶液的浓度为1
‑
3mol/L；所述表面活性剂包括以下原料中的至少1种：十六烷基三甲基溴化铵或十六烷基三甲基氯化铵。4.根据权利要求2所述的质子交换膜，其特征在于，所述制备二氧化硅纳米颗粒步骤中，所述反向微乳液法的反应温度为20
‑
100℃，反应时间为0.5
‑
10h；所述盐酸的乙醇溶液采用体积比为1:(10
‑
30)的盐酸溶液和乙醇溶液配制得到，所述盐酸溶液的浓度为10
‑
14mol/L，所述乙醇溶液的体积百分浓度为80
‑
99.9％。5.根据权利要求2所述的质子交换...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵天寿，孙燕，徐建波，
申请(专利权)人：广州市香港科大霍英东研究院，
类型：发明
国别省市：