[發明專利]一種聚硅氧烷多膦酸摻雜SPEEK高低溫通用型質子交換膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201710305512.2
• 申請日: 2017-05-03
• 公開（公告）號: CN107104242B
• 公開（公告）日: 2020-01-14
• 發明（設計）人: 沈春暉;任學超;高山俊;陳繼欽;袁園
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M8/1048
• 分類號: H01M8/1048;H01M8/1069
• 代理公司: 42102 湖北武漢永嘉專利代理有限公司
• 代理人: 唐萬榮;官群

1.一種聚硅氧烷多膦酸摻雜SPEEK高低溫通用型質子交換膜，其特征在于，所述質子交換膜由有機膦酸與硅氧烷發生開環反應后在SPEEK基體中交聯形成聚硅氧烷多膦酸摻雜SPEEK溶膠，所得溶膠經陳化、干燥、熱處理處理得到聚硅氧烷多膦酸摻雜SPEEK高低溫通用型質子交換膜；

所述有機膦酸為氨基三亞甲基膦酸；所述硅氧烷為2-（3,4-環氧環己基）乙基三甲氧基硅烷；

所述高低溫通用型質子交換膜的制備方法步驟如下：

1）制備有機膦酸溶液：將有機膦酸在40-60℃下溶于溶劑中，得到1-2mol/L的有機膦酸溶液；

2）制備硅氧烷溶液：將硅氧烷溶于溶劑中，得到0.5-2 mol/L的硅氧烷溶液；

3）制備SPEEK溶液：將SPEEK溶于溶劑中，得到0.5-1 mol/L的SPEEK溶液；

4）制備硅氧烷多膦酸溶膠：在惰性氣氛保護下，溫度為60-80℃時，將步驟2）所得硅氧烷溶液逐滴加入到步驟1）所得有機膦酸溶液中，邊滴加邊攪拌，滴加完畢后繼續反應24-48h得到硅氧烷多膦酸溶膠；

5）制備聚硅氧烷多膦酸摻雜SPEEK高低溫通用型質子交換膜：將步驟3）所得SPEEK溶液緩慢加入到步驟4）所得硅氧烷多膦酸溶膠中，于60-80℃下充分攪拌6-8h使其混合均勻，然后將混合均勻的溶膠倒入聚四氟乙烯模盤中，于室溫下陳化2-3天，再置于烘箱中干燥，隨后分別在100℃、120℃、150℃下各熱處理2h，冷卻后脫模得到聚硅氧烷多膦酸摻雜SPEEK高低溫通用型質子交換膜；

所述SPEEK的磺化度為58-63%。

2.根據權利要求1所述的高低溫通用型質子交換膜，其特征在于，所述SPEEK的制備方法為：將PEEK粉末加入過量的濃硫酸中，室溫下攪拌使其發生磺化反應，反應結束后將反應液倒入冰水混合物中，經后處理得到SPEEK。

3.根據權利要求2所述的高低溫通用型質子交換膜，其特征在于，所述PEEK粉末分子量為3-4萬，所述濃硫酸的濃度大于98%，所述磺化反應時間為168-192h。

4.一種制備權利要求1-3任一所述的高低溫通用型質子交換膜的制備方法，其特征在于步驟如下：

1）制備有機膦酸溶液：將有機膦酸在40-60℃下溶于溶劑中，得到1-2mol/L的有機膦酸溶液；

2）制備硅氧烷溶液：將硅氧烷溶于溶劑中，得到0.5-2 mol/L的硅氧烷溶液；

3）制備SPEEK溶液：將SPEEK溶于溶劑中，得到0.5-1 mol/L的SPEEK溶液；

4）制備硅氧烷多膦酸溶膠：在惰性氣氛保護下，溫度為60-80℃時，將步驟2）所得硅氧烷溶液逐滴加入到步驟1）所得有機膦酸溶液中，邊滴加邊攪拌，滴加完畢后繼續反應24-48h得到硅氧烷多膦酸溶膠；

5）制備聚硅氧烷多膦酸摻雜SPEEK高低溫通用型質子交換膜：將步驟3）所得SPEEK溶液緩慢加入到步驟4）所得硅氧烷多膦酸溶膠中，于60-80℃下充分攪拌6-8h使其混合均勻，然后將混合均勻的溶膠倒入聚四氟乙烯模盤中，于室溫下陳化2-3天，再置于烘箱中干燥，隨后分別在100℃、120℃、150℃下各熱處理2h，冷卻后脫模得到聚硅氧烷多膦酸摻雜SPEEK高低溫通用型質子交換膜；

所述SPEEK的磺化度為58-63%。

5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于：所述溶劑為二甲基亞砜。

6.根據權利要求4所述的方法，其特征在于：步驟4）所述硅氧烷溶液中的硅元素與有機膦酸溶液中磷元素摩爾比為4：3-4。

7.根據權利要求4所述的方法，其特征在于：步驟5）所述SPEEK溶液中SPEEK與步驟2）所述硅氧烷溶液中硅氧烷質量比為1-1.2:1。

8.一種根據權利要求1-3任一所述高低溫通用型質子交換膜制備得到的質子交換膜燃料電池。