本发明专利技术涉及一种掺杂Nafion的细菌纤维素质子交换膜及制备和应用，包括：（1）将细菌纤维素膜经碱煮和洗涤等处理除去残余发酵培养基和细菌细胞，得到凝胶状的细菌纤维素膜；（2）将上述凝胶状的细菌纤维素经液氮或-80°C预冻后放入冷冻干燥机中冻干，得到冻干的细菌纤维素膜；（3）将上述冻干的细菌纤维素膜置于Nafion溶液中，充分浸泡过夜，然后干燥成膜，最后烘干韧化，即可。本发明专利技术的制备工艺方便可行，成本低廉，环境污染小；本发明专利技术得到的掺杂Nafion细菌纤维素复合膜具有较高的质子传导率、良好的热稳定性、较低的甲醇渗透率，适合用于甲醇、乙醇等为燃料的液体燃料电池复合膜。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于质子交換膜及其制备和应用领域，特别涉及一种掺杂Nafion的细菌纤维素质子交換膜及制备和应用。
技术介绍
质子交换膜(Proton Exchange Membrane, PEM)是燃料电池的核心部件，PEM与一般化学电源中使用的隔膜有区別。直接甲醇燃料电池(DMFC)属于质子交換膜燃料电池(PEMFC)中之ー类，直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇为燃料供给来源，而不需通过甲醇、汽油及天然气的重整制氢以供发电。相较于质子交換膜燃料电池(PEMFC)，直接甲醇燃料电池(DMFC)具备低温快速启动、燃料洁净环保、甲醇燃料来源丰富、价格便宜、理论比能量密度 高，便于携带与储存，结构简单，体积小，质量轻，方便灵活等优点，特别适合应用于便携式电源，例如笔记本电脑、手机、摄像机，偏远地区、海岛荒漠等小型独立电源，以及军事领域中使用的特殊电源等。现在已有商品化的质子交換膜，主要是美国杜邦的NafionK系列膜。Nafion膜是全氟磺酸膜，成本高且制造过程中对环境产生有毒有害物质，以及在DMFC中普遍应用时阻醇性能太差，导致电池工作时甲醇和水从阳极至阴极的滲透率较高(即使甲醇浓度低到Imol じ1，也有近40%的醇能透过膜)，致使燃料浪费和电池性能下降，水热管理复杂，使用寿命尚不理想。因此，开发新型低成本、高质子传导率、低甲醇渗透率、环境友好的质子交換膜成为了 DMFC研究的一个热点和重要方向。细菌纤维素(Bacterial cellulose, BC)是指在不同条件下，由醋酸菌属(Acetobacter)、土壤杆菌属(Agrobacterium)、根瘤菌属(Rhizobium)和八叠球菌属(Sarcina)等中的某种微生物在含糖基质上发酵产生的ー类超微纤维素，是由吡喃葡萄糖残基以β_1，4糖苷键连接而成的链状高分子聚合物。主要作为ー种生物材料应用于食品、医药、造纸、音响以及纺织エ业等方面。细菌纤维素膜具有特殊的三维纳米网络结构、超细丝带以及热稳定性好和机械强度高、低气体渗透性、高吸水性等特点，使得细菌纤维素膜在质子交換膜燃料电池上具有美好的应用前景。美国学者对其进行了初步探讨，研究结果表明细菌纤维素膜在燃料电池方面应用具有独特优势。然而细菌纤维素膜的质子传导率较低，需要进行改性提高其质子传导率。同吋，已有研究表明细菌纤维素膜可以用于渗透汽化分离醇类和水的混合物，证明其具有阻醇性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种掺杂Nafion的细菌纤维素质子交換膜及制备和应用，该掺杂Nafion细菌纤维素复合膜具有高的质子传导率、良好的热稳定性、较低的甲醇渗透率，特别适合用于甲醇、こ醇等为燃料的液体燃料电池复合膜，该制备エ艺方便可行，成本低廉，环境污染小。本专利技术的一种掺杂Nafion的细菌纤维素质子交換膜，其制备方法包括(I)细菌纤维素凝胶膜的处理将细菌纤维素膜用去离子水冲洗，除去残留培养基等杂质，然后于70-100°C下置于质量浓度O. 1-5%的碱性溶液中处理O. 5-4h，直至细菌纤维素膜变成白色半透明，再用质量浓度O. 1-3%的酸性溶液和去离子水清洗(或単独用去离子水清洗)，然后于去离子水中煮沸O. 5-2h，再用去离子水冲洗至细菌纤维素膜表面pH值为中性为止，得到凝胶状的细菌纤维素膜；同时，取上述煮沸的浸出液測定其于280nm的吸收值，若吸收值不低于O. 05，则重复煮沸和冲洗直至煮沸浸出液在280nm无显著吸收为止；将纯化处理好的细菌纤维素膜置于去离子水中，封ロ 4° C保存；(2)细菌纤维素冻干膜的制备将上述凝胶状的细菌纤维素膜放置于疏水表面容器中，加入去离子水，经液氮或-80° C预冻后放入冷冻干燥机中冻干，得到冻干的细菌纤维素膜；取出放置于干燥器中，室温保存备用；(3)复合膜制备将上述冻干的细菌纤维素膜置于质量浓度O. 1-20%的Nafion溶液中，充分浸泡过夜直至冻干的细菌纤维素膜变成透明的凝胶，然后在疏水表面容器中干燥成膜，最后烘干韧化，即可。本专利技术的一种掺杂Nafion的细菌纤维素质子交换膜的制备方法，包括(I)细菌纤维素凝胶膜的处理将细菌纤维素膜用去离子水冲洗，除去残留培养基等杂质，然后于70-100°C下置于质量浓度O. 1-5%的碱性溶液中处理O. 5-4h，直至细菌纤维素膜变成白色半透明，再用质量浓度O. 1-3%的酸性溶液和去离子水清洗(或単独用去离子水清洗)，然后于去离子水中煮沸O. 5-2h，再用去离子水冲洗至细菌纤维素膜表面pH值为中性为止，得到凝胶状的细菌纤维素膜；同时，取上述煮沸的浸出液測定其于280nm的吸收值，若吸收值不低于O. 05，则重复煮沸和冲洗直至煮沸浸出液在280nm无显著吸收为止；将纯化处理好的细菌纤维素膜置于去离子水中，封ロ 4° C保存；(2)细菌纤维素冻干膜的制备将上述凝胶状的细菌纤维素膜放置于疏水表面容器中，加入去离子水，经液氮或-80° C预冻后放入冷冻干燥机中冻干，得到冻干的细菌纤维素膜；取出放置于干燥器中，室温保存备用；(3)复合膜制备将上述冻干的细菌纤维素膜置于质量浓度O. 1-20%的Nafion溶液中，充分浸泡过夜直至冻干的细菌纤维素膜变成透明的凝胶，然后在疏水表面容器中干燥成膜，最后烘干韧化，即可。步骤(I)中所述的碱性溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钾或碳酸钠的水溶液。步骤(I)中所述的酸性溶液为醋酸、柠檬酸、草酸，苯甲酸、山梨酸、苹果酸、甲酸、硼酸、碳酸、硅酸、亚硫酸或磷酸的水溶液。步骤(2)和(3)中所述的疏水表面容器为表面是聚四氟こ烯或塑料的容器。步骤(3)所述的干燥的过程中细菌纤维素膜两侧用聚四氟こ烯平板夹压，保持成品膜两面的平整均一性。步骤(3)中所述的干燥为室温晾干、风干或60° C以下低温烘干。本专利技术的一种掺杂Nafion的细菌纤维素质子交换膜应用于氢氧燃料电池或以甲醇或こ醇为燃料的液体燃料电池中。本专利技术的掺杂Nafion的细菌纤维素质子交换复合膜的制备方法为取细菌发酵后收获的细菌纤维素膜，经碱煮和洗涤等处理除去残余发酵培养基和细菌细胞得到纯化细菌纤维素凝胶膜；将该凝胶膜放置于特氟龙或塑料容器中，加入适量去离子水，预冻后放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥；取细菌纤维素冻干膜，置于一定质量浓度的Nafion溶液、中，充分浸泡过夜直至变成透明的凝胶后，在疏水表面平皿上风干成膜；风干过程中细菌纤维素膜两侧可用聚四氟こ烯(特氟龙)平板夹压，保持成品膜两面的平整均一性，即得到掺杂Nafion的BC复合膜。然后将该复合膜置于一定温度下烘干韧化，即得到细菌纤维素/Nafion韧化复合膜。本专利技术将细菌纤维素与Nafion混合，结合Nafion的高质子传导性和细菌纤维素的阻醇性，以制备适用于DMFC的质子交换复合膜。有益效果(I)本专利技术的制备エ艺方便可行，成本低廉，环境污染小；(2)本专利技术得到的掺杂Nafion细菌纤维素复合膜具有较高的质子传导率、良好的热稳定性、较低的甲醇渗透率，其综合评价效果很好，使其在燃料电池领域，尤其适合用于甲醇、こ醇等为燃料的液体燃料电池复合膜。 附图说明图I为本专利技术实施例I中的O. 5%Nafion/BC复合膜的交流阻抗图谱(Nyquist图)；图2为本专利技术实施例I中的I. 0%Nafion/B本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种掺杂Nafion的细菌纤维素质子交换膜，其特征在于所述的质子交换膜的制备方法，包括 (1)将细菌纤维素膜用去离子水冲洗，然后于70-100°C下置于质量浓度0.1-5%的碱性溶液中处理0. 5-4h，直至细菌纤维素膜变成白色半透明，再用质量浓度0. 1-3%的酸性溶液和去离子水清洗或单独用去离子水清洗，然后于去离子水中煮沸0. 5-2h，再用去离子水冲洗至细菌纤维素膜表面PH值为中性为止，得到凝胶状的细菌纤维素膜； (2)将上述凝胶状的细菌纤维素膜放置于疏水表面容器中，加入去离子水，经液氮或-80° C预冻后放入冷冻干燥机中冻干，得到冻干的细菌纤维素膜； (3)将上述冻干的细菌纤维素膜置于质量浓度0.1-20%的Nafion溶液中，充分浸泡过夜直至冻干的细菌纤维素膜变成透明的凝胶，然后在疏水表面容器中干燥成膜，最后烘干韧化，即可。2.—种掺杂Nafion的细菌纤维素质子交换膜的制备方法,包括 (1)将细菌纤维素膜用去离子水冲洗，然后于70-100°C下置于质量浓度0.1-5%的碱性溶液中处理0. 5-4h，直至细菌纤维素膜变成白色半透明，再用质量浓度0. 1-3%的酸性溶液和去离子水清洗或单独用去离子水清洗，然后于去离子水中煮沸0. 5-2h，再用去离子水冲洗至细菌纤维素膜表面PH值为中性为止，得到凝胶状的细菌纤维素膜； (2)将上述凝胶状的细菌纤维素膜放置于疏水表面...
【专利技术属性】
技术研发人员：洪枫，蒋永明，乔锦丽，蒋高鹏，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：
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