[發(fā)明專(zhuān)利]細(xì)菌纖維素-Nafion夾心質(zhì)子交換膜及制備和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210162444.6
• 申請(qǐng)日: 2012-05-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102694139A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-09-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 洪楓;蔣高鵬;蔣永明;喬錦麗
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 東華大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M2/16
• 分類(lèi)號(hào): H01M2/16;H01M8/02;B32B27/08
• 代理公司: 上海泰能知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 31233
• 代理人: 黃志達(dá);謝文凱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜及其制備和應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種細(xì)菌纖維素-Nafion夾心質(zhì)子交換膜及制備和應(yīng)用。

背景技術(shù)

直接甲醇燃料電池（DMFC）是近年來(lái)新開(kāi)發(fā)的一類(lèi)燃料電池。它以甲醇水溶液作為燃料，甲醇在陽(yáng)極催化劑的作用下氧化生成CO₂，同時(shí)釋放出電子和質(zhì)子，兩者分別經(jīng)外電路及膜傳導(dǎo)至陰極。在陰極被O₂電化學(xué)還原，消耗從外電路傳遞過(guò)來(lái)的電子，并與質(zhì)子結(jié)合生成水。電子從陽(yáng)極經(jīng)過(guò)負(fù)載到陰極的傳遞，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)化。DMFC具有甲醇燃料來(lái)源豐富，價(jià)格便宜，理論比能量密度高，便于攜帶與儲(chǔ)存，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，質(zhì)量輕，方便靈活等優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于便攜式電源，例如筆記本電腦、手機(jī)、攝像機(jī)，偏遠(yuǎn)地區(qū)、海島荒漠等小型獨(dú)立電源，以及軍事領(lǐng)域中使用的特殊電源等。目前DMFC中所采用的質(zhì)子交換膜仍然是全氟磺酸膜，如Dupond公司的系列膜。然而，高昂的成本（約US$3000kg^-1）、合成的困難性、制造過(guò)程中產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有毒有害的中間產(chǎn)物，以及當(dāng)用于DMFC時(shí)存在的高甲醇滲透率和含Ru催化劑的損耗極大地制約了它的應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)新型低成本、高質(zhì)子傳導(dǎo)率、低甲醇滲透率、環(huán)境友好的質(zhì)子交換膜成為了DMFC研究的一個(gè)熱點(diǎn)和重要方向。

細(xì)菌纖維素（Bacterial?Cellulose，BC）是一類(lèi)由微生物發(fā)酵形成的纖維素，主要作為一種生物材料應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、造紙、音響以及紡織工業(yè)等方面。然而，細(xì)菌纖維素膜具有特殊的三維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、超細(xì)絲帶以及熱穩(wěn)定性好和機(jī)械強(qiáng)度高、低氣體滲透性、高吸水性等特點(diǎn)，使得細(xì)菌纖維素膜在質(zhì)子交換膜燃料電池上具有美好的應(yīng)用前景。美國(guó)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了初步探討，研究結(jié)果表明細(xì)菌纖維素膜在燃料電池方面應(yīng)用具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而細(xì)菌纖維素膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率較低，需要進(jìn)行改性提高其質(zhì)子傳導(dǎo)率。同時(shí)，已有研究表明細(xì)菌纖維素膜可以用于滲透汽化分離醇類(lèi)和水的混合物，證明其具有阻醇性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種細(xì)菌纖維素-Nafion夾心質(zhì)子交換膜及制備和應(yīng)用，本發(fā)明的細(xì)菌纖維素-Nafion夾心復(fù)合膜具有較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率、較好的熱穩(wěn)定性、較低甲醇滲透率，是一種新型低成本的夾心結(jié)構(gòu)復(fù)合質(zhì)子交換膜，特別適合用于甲醇、乙醇等為燃料的液體燃料電池，該制備工藝簡(jiǎn)單易行，成本低廉，環(huán)境污染小。

本發(fā)明的一種細(xì)菌纖維素-Nafion夾心質(zhì)子交換膜，該夾心質(zhì)子交換膜為BC-Nafion-BC結(jié)構(gòu)或Nafion-BC-Nafion結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的一種細(xì)菌纖維素-Nafion夾心質(zhì)子交換膜的制備方法，包括：

（1）將細(xì)菌纖維素膜用去離子水沖洗，除去殘留培養(yǎng)基等雜質(zhì)，然后于70-100℃下置于質(zhì)量濃度0.1-5%的堿性溶液中處理0.5-4h，直至細(xì)菌纖維素膜變成白色半透明，再用質(zhì)量濃度0.1-3%的酸性溶液和去離子水清洗（或單獨(dú)用去離子水清洗），然后于去離子水中煮沸0.5-2h，再用去離子水沖洗至細(xì)菌纖維素膜pH值為中性為止，得到凝膠狀的細(xì)菌纖維素膜；同時(shí)，取上述煮沸的浸出液測(cè)定其于280nm的吸收值，若吸收值不低于0.05，則重復(fù)煮沸和沖洗直至煮沸浸出液在280nm無(wú)顯著吸收為止；將純化處理好的細(xì)菌纖維素膜置于去離子水中，封口4°C保存；

（2）將Nafion膜依次用質(zhì)量濃度3%的雙氧水、去離子水、1mol/L的稀硫酸和去離子水煮沸處理1h，得到處理過(guò)的Nafion膜，置于去離子水中保存；

（3）將上述處理過(guò)的Nafion膜裁剪成比凝膠狀的細(xì)菌纖維素膜稍小的形狀，然后在Teflon涂層的容器上依次疊放凝膠狀的細(xì)菌纖維素膜、處理過(guò)的Nafion膜和凝膠狀的細(xì)菌纖維素膜；疊放時(shí)，應(yīng)注意Nafion膜與上下兩側(cè)的凝膠狀的細(xì)菌纖維素膜緊密貼合，防止氣泡的產(chǎn)生；然后干燥成膜，即得到BC-Nafion-BC結(jié)構(gòu)的細(xì)菌纖維素-Nafion夾心復(fù)合膜；

或者將上述處理過(guò)的Nafion膜裁剪成比凝膠狀的細(xì)菌纖維素膜稍小的形狀，然后在Teflon涂層的容器上依次疊放處理過(guò)的Nafion膜、凝膠狀的細(xì)菌纖維素膜和處理過(guò)的Nafion膜；疊放時(shí)，應(yīng)注意Nafion膜與上下兩側(cè)的凝膠狀的細(xì)菌纖維素膜緊密貼合，防止氣泡的產(chǎn)生；然后干燥成膜，即得到Nafion-BC-Nafion結(jié)構(gòu)的細(xì)菌纖維素-Nafion夾心復(fù)合膜；