【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于燃料电池，尤其涉及一种磺酸多孔有机材料纳米片掺杂的质子交换膜及其制备方法。
技术介绍
1、氢作为一种新型的能源载体，具有储量丰富、环境友好、分布范围广、热值高等优点。质子交换膜燃料电池作为氢能利用环节的重要组成部分，其能够通过内部电化学反应，直接将氢气燃料和氧化剂(空气或氧气)中的化学能转化为可用的电能，实现了高效、环保和可持续的发电过程。与传统内燃机不同，燃料电池中的化学反应并不受卡诺循环的限制，因此其能量转换效率远高于内燃机。近年来，燃料电池技术逐渐成熟，但其制造成本问题一直阻碍其商业化发展。
2、其中，质子交换膜(proton exchange membrane，pem)作为质子交换膜燃料电池关键组件，在传递质子和抑制燃料渗透等方面发挥着重要作用。为了实现更高效、更安全和更耐用的质子交换膜燃料电池，提高质子交换膜燃料电池的输出功率、耐久性，降低燃料电池整体制造成本，质子交换膜应具备以下特质：1.出色的质子传导性能，以减少质子传输阻抗带来的性能损失；2.优越的气体阻隔性能，以减少气体交叉扩散导致的电压和功率下降问题；3.高度的化学稳定性和机械稳定性，从而增加电池的使用寿命；4.优秀的热稳定性和高温性能，使质子交换膜能在更高温度下工作，通过升高温度提升催化剂催化活性，从而提升燃料电池电池的整体工作效率。
3、目前商业上广泛使用的全氟磺酸树脂(pfsa)制备的质子交换膜(如杜邦公司的nafion膜)，其具有质子传导率高，化学、机械稳定性好等优点。但是目前商用的质子交换膜的工作温度一般在80℃
4、为了解决这一问题，目前的策略是向全氟磺酸膜中掺杂具有吸湿能力的无机填料，如sio2纳米颗粒、丝光沸石、氧化锆、二氧化钛、氧化石墨烯和离子液体等。这些无机填料的添加能够显著提高全氟磺酸质子交换膜的吸水能力，从而使其在更高的温度下工作(＞90℃)。但是由于这些无机填料与全氟磺酸树脂之间存在相容性问题，会导致添加填料后膜的机械性能下降以及氢气渗透率提升等问题。
5、目前已知磺酸多孔有机材料纳米片具有超高的质子传导率以及良好的保水能力；同时其二维有机骨架与全氟磺酸树脂具有良好的亲和性；此外磺酸多孔有机材料纳米片具有很低的溶胀率，能保证掺杂后在燃料电池工作环境下的机械稳定性，因此其作为全氟磺酸膜的掺杂材料，具有明显的优势。但是一般制备过程中，磺酸多孔有机材料纳米片在制备干燥过程中会发生团聚，从而失去其二维结构，且重新分散在溶剂中后难以还原，使其上述优势难以完全发挥。
技术实现思路
1、本专利技术实施例提供一种磺酸多孔有机材料纳米片掺杂的质子交换膜及其制备方法，旨在解决磺酸多孔有机材料纳米片在掺杂制备质子交换膜过程中出现磺酸多孔有机材料纳米片团聚失去二维结构的问题。本专利技术通过溶剂置换策略，使磺酸多孔有机材料纳米片在制备、洗涤、配置膜溶液等一系列过程中始终处于在溶剂中分散的状态，防止磺酸多孔有机材料纳米片团聚，从而完全发挥其结构带来的作为掺杂材料的优势。
2、本专利技术的技术方案是这样实现的：
3、一种磺酸多孔有机材料纳米片掺杂的质子交换膜的制备方法，包括如下步骤：
4、s1：将树脂、第一溶剂和磺酸多孔有机材料纳米片溶液按混合配制成浆料，经搅拌和超声后备用；所述树脂、第一溶剂和磺酸多孔有机材料纳米片干重的质量比为(800-1200)：(2400-3600)：(1-10)；
5、s2：将步骤s1搅拌超声后的浆料滴到玻璃板上，控制涂布厚度为50-500微米进行涂布，控制涂布台温度为40-90℃至浆料完全蒸发固化；
6、s3：将步骤s2中的涂布玻璃板在40-90℃环境中干燥1-10小时；
7、s4：步骤s3处理后在120-200℃下热处理10-60min，获得磺酸多孔有机材料纳米片掺杂的质子交换膜；
8、步骤s1中，所述磺酸多孔有机材料纳米片溶液，由以下制备方法获得：
9、s11：将醛基单体溶解在第二溶剂中，配置成浓度为0.1-0.4mol/l的醛基单体溶液；
10、s12：将氨基单体溶解在第三溶剂中，配置成浓度为0.15-0.6mol/l的氨基单体溶液；
11、s13：将s11中配制的醛基单体溶液与s12中配制的氨基单体溶液等体积比例混合，静置，获得纳米片溶液；
12、s14：在水中洗涤置换纳米片溶液；
13、s15：将s14中洗涤置换后的纳米片溶液浓缩，获得磺酸多孔有机材料纳米片溶液。
14、进一步地，步骤s1中：
15、所述树脂优选为磺化聚酰亚胺、磺化聚偏氟乙烯、磺化聚酰亚胺、短侧支链全氟磺酸、磺化聚偏二氟乙烯、磺化聚苯硫醚、磺化聚醚醚酮、磺化聚醚砜中的一种或至少两种的混合物。
16、所述第一溶剂优选为去离子水、甲醇、乙醇、正己烷、正丙醇、异丙醇、dmf、dmac、dmso中的一种或至少两种的混合物。
17、所述树脂、第一溶剂和磺酸多孔有机材料纳米片干重的质量比优选为1000:3000:(1-10)。
18、所述搅拌时间为1-24h，优选为3-20h。
19、所述超声时间为1-8h，优选为3-6h。
20、进一步地，步骤s2中，所述涂布厚度优选为200-400μm；所述涂布台干燥温度优选为60-90℃；
21、进一步地，步骤s3中：
22、所述干燥具体为：将步骤s2中的涂布玻璃板转移到鼓风干燥箱中，控制温度为40-90℃，时间为1-10小时，进一步烘干溶剂备用。进一步优选地，所述干燥温度优选为60-90℃；所述干燥时间优选为1-8h。
23、进一步地，步骤s4中，所述热处理温度优选为140-180℃；所述热处理时间优选为20-40min。
24、进一步地，步骤s11中：
25、所述醛基单体优选为三醛基间苯三酚或均苯三甲醛中的一种；
26、所述第二溶剂优选为二甲基亚砜、n,n-二甲基甲酰胺或n,n-二甲基乙酰胺中的至少一种。
27、进一步地，步骤s12中：
28、所述氨基单体优选为2,5-二氨基苯磺酸、2,5-二氨基苯-1,4-二磺酸或4,4'-二氨基-3,3'-联苯二磺酸中的一种；
29、所述第三溶剂优选为二甲基亚砜、n,n-二甲基甲酰胺或n,n-二甲基乙酰胺中的至少一种。
30、进一步地，步骤s13中：
31、优选的，混合后的溶液中醛基单体和氨基单体摩尔比为2:3。
32、所述静置为在室温条件下静置1-3天；更进一步优选的，所述静置时间优选为24h。
33、进一步地，步骤s14中：
34、所述洗涤置换，采用纳滤膜或透析膜进行洗涤置换。
35、进一步地，步骤s15中：
36、所述浓缩，具体使用旋转蒸发仪进行浓缩；进一步本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种磺酸多孔有机材料纳米片掺杂的质子交换膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的磺酸多孔有机材料纳米片掺杂的质子交换膜的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述磺酸多孔有机材料纳米片溶液，由以下制备方法获得：
3.根据权利要求1所述的磺酸多孔有机材料纳米片掺杂的质子交换膜的制备方法，其特征在于：步骤S1中：所述树脂为磺化聚酰亚胺、磺化聚偏氟乙烯、磺化聚酰亚胺、短侧支链全氟磺酸、磺化聚偏二氟乙烯、磺化聚苯硫醚、磺化聚醚醚酮、磺化聚醚砜中的一种或至少两种的混合物。
4.根据权利要求1所述的磺酸多孔有机材料纳米片掺杂的质子交换膜的制备方法，其特征在于：步骤S3中：所述干燥具体为：将步骤S2中的涂布玻璃板转移到鼓风干燥箱中，控制温度为40-90℃，时间为1-10小时，进一步烘干溶剂备用。
5.根据权利要求2所述的磺酸多孔有机材料纳米片掺杂的质子交换膜的制备方法，其特征在于：步骤S11中：
6.根据权利要求2所述的磺酸多孔有机材料纳米片掺杂的质子交换膜的制备方法，其特征在于：步骤S12中：
8.根据权利要求2所述的磺酸多孔有机材料纳米片掺杂的质子交换膜的制备方法，其特征在于：步骤S14中：所述洗涤置换，采用纳滤膜或透析膜进行洗涤置换。
9.根据权利要求2所述的磺酸多孔有机材料纳米片掺杂的质子交换膜的制备方法，其特征在于：步骤S15中：所述浓缩，具体使用旋转蒸发仪进行浓缩。
10.一种磺酸多孔有机材料纳米片掺杂的质子交换膜，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述的制备方法获得。
...【技术特征摘要】
1.一种磺酸多孔有机材料纳米片掺杂的质子交换膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的磺酸多孔有机材料纳米片掺杂的质子交换膜的制备方法，其特征在于：步骤s1中，所述磺酸多孔有机材料纳米片溶液，由以下制备方法获得：
3.根据权利要求1所述的磺酸多孔有机材料纳米片掺杂的质子交换膜的制备方法，其特征在于：步骤s1中：所述树脂为磺化聚酰亚胺、磺化聚偏氟乙烯、磺化聚酰亚胺、短侧支链全氟磺酸、磺化聚偏二氟乙烯、磺化聚苯硫醚、磺化聚醚醚酮、磺化聚醚砜中的一种或至少两种的混合物。
4.根据权利要求1所述的磺酸多孔有机材料纳米片掺杂的质子交换膜的制备方法，其特征在于：步骤s3中：所述干燥具体为：将步骤s2中的涂布玻璃板转移到鼓风干燥箱中，控制温度为40-90℃，时间为1-10小时，进一步烘干溶剂备用。
<...【专利技术属性】
技术研发人员：董书达，李金阳，张震，
申请(专利权)人：深圳市氢瑞燃料电池科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。