[發(fā)明專利]Nafion/磷酸化氧化石墨烯雜化膜及制備和應用

有效

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• 申請日: 2016-02-23
• 公開（公告）號: CN105742677B
• 公開（公告）日: 2019-03-22
• 發(fā)明（設計）人: 吳洪;張蓓;曹穎;姜忠義
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01M8/1041
• 分類號: H01M8/1041
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李麗萍

本發(fā)明公開了一種Nafion/磷酸化氧化石墨烯雜化膜，由Nafion與磷酸化氧化石墨烯構成，厚度為40～70μm，其中，磷酸化氧化石墨烯與Nafion質量之比為0.005～0.02:1。其制備過程包括：Hummers法制備氧化石墨烯；通過多巴胺與氧化石墨烯上羧基的反應，制備多巴胺修飾的氧化石墨烯，然后通過多巴胺與阿侖膦酸間的邁克爾加成反應，從而制備磷酸化氧化石墨烯；磷酸化氧化石墨烯與Nafion溶液共混得到鑄膜液，延流到干凈的玻璃板上成膜，制得該雜化膜。本發(fā)明雜化膜的制備過程操作簡單易行，綠色環(huán)保，制得的Nafion/磷酸化氧化石墨烯雜化膜應用于質子交換膜燃料電池，在100％濕度和低濕度下均有較高的質子傳導率。

技術領域

本發(fā)明涉及Nafion/磷酸化氧化石墨烯雜化膜及制備和應用，屬于質子交換膜燃料電池技術領域。

背景技術

燃料電池是一種以可再生資源(如氫氣、甲醇等)為燃料，不經(jīng)燃燒過程而直接將其化學能轉化為電能的電化學裝置。與傳統(tǒng)能源相比，燃料電池具有能量密度高、環(huán)境友好、原料來源廣等優(yōu)點，因而成為繼火電、水電、核電等常規(guī)發(fā)電技術后的又一新型發(fā)電技術。其中，質子交換膜燃料電池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)具有能量轉化率高、比功率大、室溫下啟動速度快、結構簡單等獨特優(yōu)勢，在固定式發(fā)電和便攜式電源領域得到了廣泛應用。質子交換膜是質子交換膜燃料電池的核心部件之一，起著阻隔燃料、傳導質子的作用，直接決定了燃料電池性能的好壞。理想的質子交換膜除了應具備良好的機械性能、抗溶脹性能外，還應有較高的質子傳導率，且在高溫低濕度下仍能保持優(yōu)良的質子傳導能力。

目前商業(yè)化的質子交換膜中，DoPont公司生產(chǎn)的Nafion膜為典型代表，它由疏水性的聚四氟乙烯主鏈和末端帶有磺酸根的親水性側鏈組成，具有良好的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性，親疏水區(qū)發(fā)生微相分離形成連續(xù)的質子傳遞通道，使得Nafion膜在室溫下具有較高的質子傳導率。但是也存在著高溫低濕度下質子傳導率急劇下降、燃料滲透嚴重等問題，制約了其進一步應用。

近年來，氧化石墨烯在質子交換膜燃料電池領域得到了廣泛研究。氧化石墨烯具有良好的親水性，比表面積大，且表面易修飾上其他活性基團，增多了質子傳遞位點，其獨特的二維片狀結構，是質子傳導的理想載體，可構筑出連續(xù)的質子傳遞通道，促進質子傳導率的提高。通過在氧化石墨烯上修飾磷酸，磷酸根可降低質子傳導性能對水含量的依賴，強化膜的保水性能。將磷酸化氧化石墨烯摻雜入膜中制備的雜化膜，既具有較高的質子傳導率，又可以保持良好的保水能力，在高溫低濕度下仍能具有理想的質子傳導率。到目前為止，Nafion/磷酸化氧化石墨烯雜化膜用于燃料電池質子交換膜未見文獻報道。

發(fā)明內容

本發(fā)明目的在于提供一種Nafion/磷酸化氧化石墨烯雜化膜及其制備和應用。該雜化膜用于質子交換膜燃料電池，在100％濕度和低濕度下均有較高的質子傳導率，其制備方法簡單。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提出的一種Nafion/磷酸化氧化石墨烯雜化膜，由Nafion與磷酸化氧化石墨烯構成，雜化膜厚度為40～70μm，其中，磷酸化氧化石墨烯與Nafion質量之比為0.005～0.02:1。

上述Nafion/磷酸化氧化石墨烯雜化膜的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、Hummers法制備氧化石墨烯；

步驟二、磷酸化氧化石墨烯的制備：將三羥甲基氨基甲烷溶于去離子水中配制成濃度為0.01mol L^-1的緩沖溶液，將氧化石墨烯加入該緩沖溶液中，其中氧化石墨烯濃度為0.1～1.0mg/mL，充分超聲、攪拌，按照氧化石墨烯與多巴胺1:1的量向溶液中加入多巴胺，繼續(xù)超聲分散；將上述反應液轉移至三口燒瓶中，置于30℃恒溫水浴中攪拌24h，離心、洗滌，得到多巴胺修飾的氧化石墨烯；稱取阿侖膦酸，緩慢加入到上述反應液中，該混合溶液中阿侖膦酸的濃度為0.1～0.8mg/mL，攪拌反應24h后，離心、洗滌、冷凍干燥，得到磷酸化氧化石墨烯；