[發明專利]二咪唑二碘合鉑/聚合物雜化質子交換膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201410038552.1
• 申請日: 2014-01-27
• 公開（公告）號: CN103772726A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 楊麗佳;湯蓓蓓;武培怡
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: C08J5/22
• 分類號: C08J5/22;C08L27/18;C08L61/16;C08L79/04;C08L79/08;C08K5/56;H01M8/02;H01M2/16;C07F15/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于膜技術領域，具體涉及一種二咪唑二碘合鉑/聚合物雜化質子交換膜及其制備方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池以其啟動快、比功率高、結構簡單、操作方便等優點，成為汽油內燃機動力最具競爭力的潔凈取代動力能源。其中，質子交換膜作為燃料電池的核心部件，為質子的遷移和輸送提供通道，因此其綜合性能對燃料電池起著至關重要的作用。一個理想的質子交換膜，應該具有一定的機械強度，燃料（甲醇或者氫氣等）在膜中的滲透性盡可能小，最主要的需要有優異的質子傳導率，即較高的能源轉換效率。Nafion^TM（全氟磺酸樹脂）是目前最常用的質子交換膜，具有質子電導率高和化學穩定性好的優點。

但是Nafion^TM膜在低濕度和/或較高溫度下，會劇烈失水而致使其質子傳導性能急劇下降。因此為解決這個問題，研究者一直在探索合成新型的基于Nafion的質子交換膜?！峨娀瘜W學會志》（Electrochimica?Acta,?2007,?154,?A290-A294.）報道了將1,2,4-三唑通過共混的方法引入到Nafion^TM（全氟磺酸樹脂）基體中，制備得到了雜化質子交換膜，其在160℃?無水條件下質子傳導率仍能達到2.3×10^?2?S/cm，并且200℃?無水條件下還有8.64×10^?3?S/cm，而相同條件下Nafion^TM膜的質子傳導率過于低，而很少得到確切數據，或者數值太小可以忽略。《RSC?先進》（RSC?Advances,?2013,?3,?5438-5446.）也用共混法通過咪唑功能化多面低聚硅氧烷作為改性物得到Nafion^TM基-雜化質子交換膜。雜化膜中咪唑與Nafion^TM磺酸根具有良好的相互作用，因此改性物在膜中的分散性良好。而且在140℃無水條件下，雜化膜的質子傳導率高達2.47×10^?2S/cm，并且在96h的測試條件內，雜化膜的質子傳導未出現明顯的下降。咪唑的引入以及多面低聚硅氧烷的穩定構型，能使得雜化膜在低濕條件下仍具有良好且穩定的質子通道。但是上述的報道中的咪唑添加劑對燃料電池中的鉑電極有吸附作用，從而會產生催化劑中毒。

另一方面，由于鉑可促進燃料（甲醇或者氫氣）的氧化還原，而且產物可得到水分子，達到自濕潤的作用，因此將其引入到質子交換膜中可望提高膜的水含量，從而達到改進質子交換膜性能的目的?！峨娀瘜W學報》（Electrochimica?Acta,?2006,?51,?3979-3985）在Nafion^TM中同時加入Pt與SiO₂，得到的雜化膜在80℃氫氣流且無水條件下，其電池性能中的電阻與完全濕潤的未改性膜的電阻相當。原因在于無機粒子可緊密鎖住鉑催化氫氣氧化作用而產生的水分子，使得膜的水含量提高。然而由于無機粒子在聚合物基體中存在分散性和相容性問題，在低濕條件下，水分子更傾向于與SiO₂結合，導致質子傳遞通道更加曲折且不再連貫，因此雜化膜的保水能力雖有提高但質子傳導性能卻下降。

綜上所述，為充分利用咪唑與磺酸基團的相互作用，提高粒子與基膜的相容性，同時減少離子簇之間的空間位阻；利用咪唑與水分子的作用，提高膜的保水能力；利用咪唑本身可接受與釋放質子的能力，提高質子遷移通道的聯通；利用Pt對燃料（甲醇或者氫氣）氧化還原的催化作用，提高膜的自濕潤性。本發明首先制備了二咪唑二碘合鉑配合物（PtIm₂I₂），該配合物中，配體為咪唑，且與鉑通過配位鍵連接，可有效地避免咪唑對燃料電池鉑電極的吸附作用。然后通過共混法將該咪唑類配合物均勻分散于聚合物基體中，從而制備得到了高質子傳導率的二咪唑二碘合鉑/聚合物雜化質子交換膜。

發明內容

本發明的目的在于提供一種性能優異的二咪唑二碘合鉑/聚合物雜化質子交換膜及其制備方法。

本發明提供的二咪唑二碘合鉑/聚合物雜化質子交換膜，引入了無機粒子（二咪唑二碘合鉑配合物），可極大地提高質子交換膜的質子傳導率。

本發明提供的二咪唑二碘合鉑/聚合物雜化質子交換膜的制備方法，其具體步驟如下：