[發(fā)明專利]納米氧化釔與吡啶離子液體二元摻雜改性磺化聚苯硫醚質(zhì)子交換膜及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310432731.9
• 申請日: 2013-09-23
• 公開（公告）號: CN103474682A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭強;李夏;錢君質(zhì);張?zhí)祢?/a>;畢宸洋;陳新新
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;C08L81/02;C08K3/22;C08K5/3432;C08J5/22
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 陸聰明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種二元摻雜改性磺化聚苯硫醚質(zhì)子交換膜及其制備方法，特別是一種納米氧化釔與吡啶離子液體二元摻雜改性磺化聚苯硫醚質(zhì)子交換膜及其制備方法。

背景技術(shù)

離子液體是在室溫或近于室溫下呈液態(tài)的由陰陽離子組成的室溫熔融鹽，具有導(dǎo)電性、難揮發(fā)、不燃燒、電化學穩(wěn)定等優(yōu)點。因此，將離子液體應(yīng)用與電化學研究可以減輕放電負荷，作為電解質(zhì)的使用溫度也遠遠低于熔融鹽。

磺化聚苯硫醚(SPPS)材料由于具有高機械強度、較好的熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性而成為直接甲醇燃料電池質(zhì)子交換膜的研究重點。用磺化試劑如濃硫酸對聚苯硫醚(PPS)進行磺化，將磺酸基團引入到PPS主鏈上，由于磺酸基親水相與聚合物骨架上苯環(huán)、碳硫鍵等疏水相的存在，可使得SPPS材料具有一定的質(zhì)子傳導(dǎo)率，且SPPS材料較低的合成成本、良好的機械強度和優(yōu)良的熱穩(wěn)定性可滿足燃料電池對質(zhì)子交換膜的要求。但是此種材料的磺化度(DS)會直接影響質(zhì)子交換膜各方面的性能，中等DS的SPPS質(zhì)子交換膜具有較好的機械強度、阻醇性能和熱穩(wěn)定性，但是由于磺酸基團的數(shù)量較少，兩相分離不明顯，其質(zhì)子傳導(dǎo)率不夠理想，阻礙了燃料電池電化學循環(huán)反應(yīng)。而高DS的SPPS質(zhì)子交換膜雖具有較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率，但其機械強度降低、吸水率及溶脹度過高、在高溫下SPPS會在甲醇中發(fā)生降解，嚴重影響膜的穩(wěn)定性及燃料電池的壽命。由于磺化度對質(zhì)子交換膜材料性能存在相互矛盾的作用，在SPPS質(zhì)子交換膜的方案設(shè)計上，通常需要對SPPS磺化度及改性的方式進行綜合考慮，不能顧此失彼。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一在于提供一種納米氧化釔與吡啶離子液體二元摻雜改性磺化聚苯硫醚質(zhì)子交換膜

本發(fā)明的目的之二在于提供該質(zhì)子交換膜的制備方法

?一種納米氧化釔與吡啶離子液體摻雜改性磺化聚苯硫醚質(zhì)子交換膜，其特征在于該質(zhì)子交換膜的組成及質(zhì)量百分含量為：

磺化聚苯硫醚????????????????????????80%-99%,

摻雜相二元??????????????????????1%～20%；

所述的磺化聚苯硫醚的結(jié)構(gòu)式為：

；

所述的摻雜相二元由氧化釔與吡啶離子液體按1:(1~4)的摩爾比混合而成；所述的吡啶離子液體的結(jié)構(gòu)式為：?。

上述的磺化聚苯硫醚的磺化度為57%～90%。

上述的納米氧化釔顆粒的粒徑為50～90?nm。

一種制備上述的二元摻雜改性磺化聚苯硫醚質(zhì)子交換膜的方法，其特征在于該方法的具體步驟為：將磺化聚苯硫醚、二元摻雜相分散于制膜溶劑中，配制成固相含量為5%～30%的制膜液，超聲處理使磺化聚苯硫醚和二元摻雜相能均勻分散在制膜溶劑中。然后將制膜液制成交換膜，經(jīng)干燥、冷卻后，即得到納米氧化釔與吡啶離子液體二元摻雜改性磺化聚苯硫醚質(zhì)子交換膜。

上述的制膜溶劑為：N,N-二甲基甲酰胺(DMF、N,N-二甲基乙酰胺DMAC或二甲基亞砜DMSO。

磺化度為磺化聚苯硫醚SPPS中每100個重復(fù)單元所含磺酸基團數(shù)目。

本發(fā)明的二元摻雜改性磺化聚苯硫醚質(zhì)子交換膜及其制備方法的優(yōu)點在于：

1.采用中等磺化度的SPPS作為基體材料，以克服過高磺化度SPPS存在吸水率過高，復(fù)合膜穩(wěn)定性較差的缺點，并保證復(fù)合膜具有一定的吸水率；

2.通過納米級稀土金屬氧化物氧化釔及吡啶離子液體二元摻雜的方式，使SPPS基體與該摻雜材料直接發(fā)生酸堿采用，以提高復(fù)合膜的綜合性能。

具體實施方式

實施例一：本實施例的組成配方和制備工藝如下：

1.組成配方

(1).復(fù)合膜基體材料：DS為59.2%的SPPS材料，質(zhì)量百分比為80%。

(2).二元摻雜相：納米Y₂O₃和吡啶離子液體，質(zhì)量百分比為20%，其中Y₂O₃與吡啶離子液體摩爾比為1:1。

2.DS為59.2%的SPPS材料的合成：將20?g?聚苯硫醚粉末、800?ml濃硫酸加入到1?L的三口瓶中，在60?°C下機械攪拌反應(yīng)6?h，待反應(yīng)液冷卻至室溫后，將反應(yīng)液通過玻璃漏斗，倒入4.5?L的冰水混合物中，冷卻后，用大量的去離子水沖洗5次，然后用4.5?L的去離子水靜置過夜，再用去離子水潤洗3次，過濾出白色的SPPS固體，將產(chǎn)物在110?°C下真空干燥24?h。