[發明專利]磺化聚醚醚酮/MIL101負載磷鎢酸雜化膜及制備和應用

有效

• 申請號: 201610103796.2
• 申請日: 2016-02-25
• 公開（公告）號: CN105670018B
• 公開（公告）日: 2018-08-14
• 發明（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: C08J5/22
• 分類號: C08J5/22;C08L61/16;C08K3/32;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

本發明公開了一種磺化聚醚醚酮/MIL101負載磷鎢酸雜化膜，該雜化膜由磺化聚醚醚酮SPEEK與磷鎢酸負載的MIL101構成，其中，磷鎢酸負載的MIL101尺寸約為500nm，磷鎢酸負載的MIL101與SPEEK質量比為0.03～0.12:1。其制備過程包括：后磺化法制備磺化聚醚醚酮；水熱法合成MIL101；通過瓶中船法，在MIL101孔道內原位合成磷鎢酸，從而將磷鎢酸封裝在MIL101腔體內，實現磷鎢酸的負載；磷鎢酸負載的MIL101與SPEEK溶液共混得到鑄膜液，延流在潔凈平整的玻璃板上成膜，即可制得該雜化膜。本發明雜化膜的制備過程簡便易操作，磷鎢酸負載量高，制得的磺化聚醚醚酮/MIL101負載磷鎢酸雜化膜應用于質子交換膜燃料電池，具備較理想的質子傳導性能。

技術領域

本發明涉及磺化聚醚醚酮/MIL101負載磷鎢酸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、乙醇等)為燃料，不經燃燒過程而直接將其化學能轉化為電能的電化學裝置，具有原料來源廣、環境友好、能量密度高等優點，是繼火電、水電、核電等常規發電技術后的又一新型發電技術。作為燃料電池其中一種，質子交換膜燃料電池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)由于其比功率大、啟動速度快、結構簡單、能量轉化率高等優點，在便攜式電源和固定式發電等領域具有廣闊的發展前景。質子交換膜(Proton exchange membrane，PEM)是燃料電池的核心部件之一，起著分隔陰陽兩級、阻隔燃料透過和傳導質子的作用。理想的質子交換膜應當具備良好的熱穩定性和化學穩定性，較低的燃料透過率，良好的尺寸穩定性和保水性能，在高溫低濕度環境下擁有良好的質子傳導能力且廉價易得。磺化聚醚醚酮(SPEEK)具有優良的熱穩定性和機械強度，且價格低廉，成本遠低于商品化的Nafion膜，因而被看作能夠代替Nafion膜的新一代質子交換膜材料。但是其質子傳導率對水環境的依賴度高，在高溫低濕度下質子傳導率發生驟降，不利于其在燃料電池中的應用，因此，采用不同方法對SPEEK進行改性成為目前國內外學者的研究熱點。

磷鎢酸是結構最穩定、酸性最強的一類雜多酸，磷鎢酸的二級結構可促進質子的傳遞，降低質子傳導對水環境的依賴，因此磷鎢酸在高溫低濕條件下仍具備導質子性能。由于磷鎢酸極易溶于水，將其直接填充到高分子基質中存在著嚴重的流失問題。MOFs是近年來興起的一類新型有機金屬框架多孔材料，具有可調控的結構和豐富的三維孔道，其空腔內亦可負載小分子促進質子傳遞，極大地促進了質子傳導率的提升。因此，利用MOFs的獨特結構，在MOFs的腔體內負載磷鎢酸，摻雜到SPEEK中制備雜化膜，既可以有效降低磷鎢酸的流失率，而且MOFs和磷鎢酸對質子傳導的協同協控，構筑新型質子傳遞通道，賦予雜化膜理想的質子傳導率。截止到目前，磺化聚醚醚酮/MIL101負載磷鎢酸雜化膜用于質子交換膜燃料電池的研究未見文獻報道。

發明內容

本發明旨在與提供一種磺化聚醚醚酮/MIL101負載磷鎢酸雜化膜及制備和應用。該雜化膜用于質子交換膜燃料電池，具有理想的質子傳導率，其制備過程簡單。

本發明是通過下述實驗技術方案實現的，一種磺化聚醚醚酮/MIL101負載磷鎢酸雜化膜，其特征在于，該磺化聚醚醚酮/MIL101負載磷鎢酸雜化膜由磺化聚醚醚酮與磷鎢酸負載的MIL101構成，其中，磷鎢酸負載的MIL101尺寸約為500nm，磷鎢酸負載的MIL101與SPEEK質量比為0.03～0.12:1。

上述結構的磺化聚醚醚酮/MIL101負載磷鎢酸雜化膜的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、磺化聚醚醚酮的制備：將適量的聚醚醚酮緩慢加入到濃硫酸中，其中，聚醚醚酮與濃硫酸質量比為1:5～15，攪拌至聚醚醚酮顆粒完全溶解，45℃下充分反應；反應完成后，將得到的紅棕色粘稠狀液體傾倒入大量冷水中使之沉淀，于室溫下通風干燥24h，得到干燥的磺化聚醚醚酮；