[發明專利]納米氧化鈰改性磺化聚苯硫醚質子交換膜及其制備方法

無效

• 申請號: 201310439963.7
• 申請日: 2013-09-22
• 公開（公告）號: CN103474688A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 郭強;李夏;錢君質;張天驕;畢宸洋;陳新新
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10;H01M8/02;C08L81/02;C08K3/22;C08J5/22
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 陸聰明

技術領域

本發明涉及一種磺化聚苯硫醚質子交換膜及其制備方法，特別是一種納米氧化鈰改性磺化聚苯硫醚質子交換膜及其制備方法。

背景技術

質子交換膜(PEM)作為目前能源領域研究和開發的熱點直接甲醇燃料電池(DMFC)的核心部分，其材料必須具有良好的質子傳導性、適宜的甲醇透過率以及良好的抗水溶脹性即質子傳導率至少應達到10^-2?S/cm，甲醇滲透系數低于10^-6?cm²/s。使質子交換膜在DMFC中具有較長使用壽命。

目前應用最廣泛的是以美國DuPont公司商業化的Nafion膜為代表的全氟磺酸膜，長期使用這種氟化物會嚴重污染環境，在使用溫度超過80?°C時，質子傳導率明顯下降，限制了全氟磺酸膜在燃料電池中的進一步應用。為此，需進一步制備綜合性能優異的質子交換膜。

磺化聚苯硫醚(SPPS)材料因具有高機械強度、優異的熱穩定性及化學穩定性成為直接甲醇燃料電池用質子交換膜的重點研究材料。用濃硫酸對聚苯硫醚磺化，將磺酸基團引入到聚苯硫醚的主鏈上，由于磺酸基親水相與聚合物骨架上苯環、碳硫鍵等疏水相的存在，可使得聚苯硫醚材料具有一定的質子傳導率，并且聚苯硫醚制備成本較低、耐熱穩定性優異能滿足燃料電池對質子交換膜材料的要求。但是，這種材料的磺化度(DS)會直接影響質子交換膜的性能，因此要選擇合適的磺化度來進行摻雜制膜。在磺化聚苯硫醚質子交換膜的方案設計上，通常需要對磺化聚苯硫醚磺化度及改性的方法進行綜合考慮，得到最佳的質子交換膜。

發明內容

本發明的目的之一在于提供一種納米氧化鈰(CeO₂)改性磺化聚苯硫醚質子交換膜。

本發明的目的之二在于提供該質子交換膜的制備方法。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種納米氧化鈰改性磺化聚苯硫醚質子交換膜，其特征在于該交換膜的組成及其質量百分含量為：

磺化聚苯硫醚SPPS????????????????????????????82.5%~99.9%；

納米CeO₂粉末??????????????????????????????0.1%～17.5%；

所述的磺化聚苯硫醚SPPS的結構式為：

；

所述的CeO₂粉末顆粒粒徑為25~30?nm。

上述的磺化聚苯硫醚的磺化度為57%～80%。

一種制備上述的納米氧化鈰改性磺化聚苯硫醚質子交換膜的方法，其特征在于該方法的具體步驟為：

(1).將磺化聚苯硫醚溶解在制膜溶劑中，配制成質量百分比濃度為10%～50%的制膜液；

(2).在上述步驟(1)所得的制膜液中，加入納米CeO₂粉末，在20?°C～80?°C下，攪拌使納米CeO₂粉末在制膜液中分散均勻，得到混合制膜液；

(3).將步驟(2)所得混合制膜液制成膜，然后在20?°C～90?°C下揮發溶劑，得到濕膜；

(4).將步驟(3)所得濕膜在50?°C～180?°C下恒溫干燥1?h~24?h；或者先在40?°C～110?°C下干燥2?h~24?h，再升溫至120?°C～180?°C干燥1?h~7?h，得到納米氧化鈰改性磺化聚苯硫醚質子交換膜。

上述改性中高磺化度磺化聚苯硫醚質子交換膜的制備方法，其特征在于所用的制膜溶劑為：N,N-二甲基亞砜DMSO或N,N-二甲基乙酰胺DMAC。

磺化度是指SPPS中每100個重復單元所含磺酸基團數目。

具體實施方式

實施例一：

1.SPPS制膜液的制備：采用DMSO作為制膜液，將研碎的磺化度為70.2%的SPPS材料溶解在制膜溶劑中，配制成SPPS質量百分比為10%的制膜液。

2.SPPS/納米CeO₂制膜液的制備：在步驟1所得的SPPS制膜液中，按質量百分比為6%的劑量加入納米CeO₂粉末，其顆粒粒徑為25?nm。在30?°C下用磁力攪拌器攪拌4?h，75?°C下攪拌6?h，使納米CeO₂粉末在制膜液中分散均勻，得到SPPS/納米CeO₂制膜液。