[發(fā)明專利]一種臭氧化石墨烯基燃料電池質(zhì)子交換膜及制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810095644.1
• 申請(qǐng)日: 2018-01-31
• 公開（公告）號(hào): CN108288721A
• 公開（公告）日: 2018-07-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳慶;廖健淞
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 成都新柯力化工科技有限公司
• 主分類號(hào): H01M8/1246
• 分類號(hào): H01M8/1246
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明屬于燃料電池的技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種臭氧化石墨烯基燃料電池質(zhì)子交換膜及制備方法。該方法通過將單晶硅在酸液中超聲處理，并在有機(jī)醇中浸泡制得表面活性的硅基底，然后以甲烷和氧氣為氣源進(jìn)行高溫沉積得到氧化自支撐石墨烯層，采用氫氟酸除去硅基底，然后在高壓電場(chǎng)中進(jìn)行純氧處理，制得臭氧化石墨烯基質(zhì)子交換膜。與傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明的制備的質(zhì)子交換膜的質(zhì)子遷移率高，質(zhì)子傳導(dǎo)性能好，機(jī)械性能好，導(dǎo)熱性好，耐久性和穩(wěn)定性佳，并且整個(gè)制備過程工藝簡(jiǎn)單，原料易得，成本低廉，適合推廣應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池的技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種臭氧化石墨烯基燃料電池質(zhì)子交換膜及制備方法。

背景技術(shù)

燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其主要特點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境污染小，被譽(yù)為21世紀(jì)的主要能源之一，是繼火電、水電、核電之后的第四代發(fā)電方式。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池由于具有能量密度高、可連續(xù)工作、環(huán)境友好等特點(diǎn)，被認(rèn)為是未來最理想的綠色能源技術(shù)之一，得到國內(nèi)外普遍的重視，應(yīng)用也越來越廣泛。

在燃料電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，膜與兩極組成“三明治”結(jié)構(gòu)的膜電極，主要由五部分組成，即陽極擴(kuò)散層、陽極催化劑層，質(zhì)子交換膜、陰極催化劑層和陰極擴(kuò)散層組成。其中，質(zhì)子交換膜是燃料電池的核心元件，同時(shí)起到分隔燃料和氧化劑，傳導(dǎo)質(zhì)子的雙重作用，其結(jié)構(gòu)和材質(zhì)對(duì)于整電池的效率和使用壽命有十分重要的影響，也是許多科研工作者的關(guān)注熱點(diǎn)。

目前的質(zhì)子交換膜研究最成熟的是全氟磺酸聚合物膜，但由于其昂貴的價(jià)格和高制備難度限制其商業(yè)化推廣。非全氟磺酸膜的研究中，氧化石墨烯由于具有表面積大、機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好的特點(diǎn)，而且其層中的環(huán)氧基、羥基和羧基在親水環(huán)境下具有質(zhì)子傳導(dǎo)性，受到廣泛關(guān)注。通過磺化和摻雜改性，可進(jìn)一步提高氧化石墨烯的質(zhì)子傳導(dǎo)效率，但傳統(tǒng)的方法效果并不理想，因此通過其他途徑提高其質(zhì)子傳導(dǎo)效率具有十分重要的實(shí)際意義。

目前國內(nèi)外在石墨烯基質(zhì)子交換膜，尤其是改性氧化石墨烯基質(zhì)子交換膜方面已取得了一定成效。其中賈煒等人發(fā)明了一種高性能輕度還原氧化石墨烯復(fù)合質(zhì)子交換膜及其制備方法（中國發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?01611155939.0），此發(fā)明通過聚合物溶液與氧化石墨烯納米片分散液超聲靜置操作，得到聚合物修飾的氧化石墨烯納米復(fù)合物；然后將復(fù)合物抽成氧化石墨烯納米復(fù)合物膜；隨后將所得膜在氫碘酸溶液中短時(shí)間處理，得到在水中穩(wěn)定的輕度還原氧化石墨烯納米復(fù)合物膜；最后將膜進(jìn)行酸化處理，氧化石墨烯納米復(fù)合物中長(zhǎng)達(dá)數(shù)百納米的聚合物長(zhǎng)程質(zhì)子傳輸通道在膜內(nèi)構(gòu)建了極為連續(xù)的質(zhì)子傳輸通道，極大地提升了質(zhì)子在片層內(nèi)和片層間的傳輸，同時(shí)通過輕度還原，進(jìn)一步增強(qiáng)了質(zhì)子的層間傳導(dǎo)。另外，王雷等人發(fā)明了一種功能化氧化石墨烯/高支化聚芳醚質(zhì)子交換膜及制備方法（中國發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?01710116344.2），包括步驟：首先制備功能化氧化石墨烯；然后對(duì)制備好的高支化磺化聚芳醚摻雜功能化氧化石墨烯，制得功能化氧化石墨烯/高支化磺化聚芳醚質(zhì)子交換膜，此發(fā)明所述功能化氧化石墨烯作為無機(jī)納米填料添加到高支化聚芳醚中，不僅可以提高質(zhì)子傳導(dǎo)率和保持水分能力，而且可以增加鏈間纏繞作用，進(jìn)而改善機(jī)械性能，同時(shí)也提高了無機(jī)粒子的分散性，增強(qiáng)了相容性，而且功能化氧化石墨烯具有良好的耐化學(xué)性，可以有效改善質(zhì)子交換膜的氧化穩(wěn)定性，另外，該方法便于操作，易于實(shí)現(xiàn)。

可見，現(xiàn)有技術(shù)中的質(zhì)子交換膜燃料電池的全氟磺酸聚合物膜價(jià)格昂貴，制備困難，限制其發(fā)展應(yīng)用，而新興的氧化石墨烯基質(zhì)子交換膜質(zhì)子傳導(dǎo)效率低，無法滿足使用要求，傳統(tǒng)的通過磺化和摻雜改性提高其質(zhì)子遷移率的技術(shù)存在難度高，工藝過程復(fù)雜，過程難以控制，成本高等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)這種情況，我們提出一種臭氧化石墨烯基燃料電池質(zhì)子交換膜及制備方法，利用臭氧化的石墨烯含有較多的含氧官能團(tuán)，同時(shí)臭氧化在增加質(zhì)子傳輸通道的同時(shí)，降低了石墨烯片層的尺寸，降低質(zhì)子在氧空位中躍遷的勢(shì)壘，從而提高其質(zhì)子傳導(dǎo)性能。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜需要氟化、磺化改性較為困難的問題，通過臭氧氧化石墨烯提高其質(zhì)子遷移率，工藝簡(jiǎn)單，具有十分重要的實(shí)際意義。