[發明專利]一種改性雜多酸納米材料的制備方法和應用

在審

• 申請號: 201910367825.X
• 申請日: 2019-05-05
• 公開（公告）號: CN110120539A
• 公開（公告）日: 2019-08-13
• 發明（設計）人: 林俊;翟紹雄;宋浩
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: H01M8/1016
• 分類號: H01M8/1016;H01M8/1069;H01M8/124;B82Y30/00;B82Y40/00;C08J7/14;C08J5/22;C08L61/16;C08K9/02;C08K3/28
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 陳波

本發明公開了屬于納米材料制備技術領域的一種改性雜多酸納米材料的制備方法和應用。本發明制備方法包括將石墨相氮化碳和雜多酸通過水熱法處理，將雜多酸固定在氮化碳上制備改性雜多酸納米材料的步驟。所得改性雜多酸納米材料用以制備復合質子交換膜，提高質子交換膜中雜多酸穩定性，獲得高電導率、高穩定性的質子交換膜。

技術領域

本發明屬于納米材料制備技術領域，特別涉及一種改性雜多酸納米材料的制備方法和應用。

背景技術

隨著化石燃料的逐漸枯竭，尋找新型替代能源的任務變得愈發艱巨。燃料電池具有能量效率高、工作溫度低及環境友好等優點。燃料電池的商業化使用是能源危機的理想解決方案之一。燃料電池的性能通常由質子交換膜和電極等部件決定。其中質子交換膜主要起到隔絕陰陽兩極和傳輸質子的作用。目前商業應用最成熟的質子交換膜是DuPont公司開發的Nafion全氟磺酸膜。但Nafion膜面臨著成本較高，且在高溫低濕度下電導率下降嚴重的問題。

將強質子傳導的物質摻雜進質子交換膜是提升復合膜電導率的常用手段。以磷鎢酸代表的雜多酸具有很強的導質子能力，但其在質子交換膜中的流失問題讓這些雜多酸的使用很受限制。

發明內容

本發明的目的在于提供一種改性雜多酸納米材料的制備方法和應用，具體技術方案如下：

一種改性雜多酸納米材料的制備方法包括將石墨相氮化碳和雜多酸通過水熱法處理，將雜多酸固定在氮化碳上制備改性雜多酸納米材料的步驟。

所述雜多酸為磷鎢酸、硅鎢酸、磷鎢酸水合物、硅鎢酸水合物中的一種或多種。

進一步地，將石墨相氮化碳分散于水中，室溫下超聲1h，得到懸濁液A；將雜多酸加入鹽酸，得到混合液B，將懸濁液A、混合液B混合均勻后通過水熱法處理。

所述懸濁液A中石墨相氮化碳與水的比例為1g/15ml～1g/30ml，超聲功率為400W～600W；所述鹽酸的濃度為2mol/L；所述懸濁液A與混合液B體積比為(1-2)：1，所述石墨相氮化碳和雜多酸的混合質量比為1:1～1:10。

所述水熱法處理的溫度為：在水熱釜中，先以1℃/min的升溫速率升溫到150℃，在150℃下放置24h，再將所得粉末從水熱釜中取出，常壓下先后置于60℃、120℃下分別熱處理24h。

所述水熱法處理結束后，分別稀H₂SO₄和H₂O各離心清洗3次。

所述制備方法制得的改性雜多酸納米材料用于制備復合質子交換膜，具體為：將所述改性雜多酸納米材料加入到SPEEK(磺化聚醚醚酮)中，加入DMAc(二甲基乙酰胺)攪拌24h，將所得溶液抽真空排出氣泡、干燥蒸發溶劑；然后將所得薄膜在稀H₂SO₄(0.5～1.5mol/L)中浸泡6h，反復4次；最后洗凈膜表面的H₂SO₄，放入去離子水浸泡24h，得到復合質子交換膜。

所述改性雜多酸納米材料加入量為改性雜多酸納米材料與SPEEK質量之和的5％～20％，所述改性雜多酸納米材料與SPEEK質量之和與DMAc質量比為1:10。

所述干燥的方式為先在80℃下干燥24h，再在80℃下真空干燥24h。

所述復合質子交換膜電導率數量級達到10^-1S/cm，且電導率穩定30天不變。

本發明的有益效果為：

(1)相較于傳統的石墨相氮化碳，本發明利用大功率超聲剝離后的石墨相氮化碳，比表面積增大、用于填料時的堆積現象減少，并且大功率超聲的方法相較于一般超聲可大幅縮減氮化碳剝離的時間；相較于氧化石墨烯等二維片狀納米材料，本發明使用的石墨相氮化碳，有制備簡便、價格便宜且易于改性等優點。