[發明專利]一種聚乙烯吡咯烷酮-雜多酸復合膜及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 201911122565.6
• 申請日: 2019-11-15
• 公開（公告）號: CN112824441A
• 公開（公告）日: 2021-05-21
• 發明（設計）人: 周利;欒鄒杰;高學強;邵志剛
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C08J7/12
• 分類號: C08J7/12;C08J7/00;C08J7/04;C08J5/22;C08L23/06;C08L27/16;C08L23/12;C08L27/18
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 毛薇;李馨

本發明提供一種聚乙烯吡咯烷酮?雜多酸復合膜及其制備方法與應用，具體表現為一種多孔基膜作為支撐層，向孔中填入聚乙烯吡咯烷酮與雜多酸的復合膜制備方法。其方法是：將聚乙烯吡咯烷酮與雜多酸的混合溶液澆鑄在多孔基膜上，在一定溫度烘干成膜；或在一定溫度、壓力下熱壓一段時間制備復合膜。由于雜多酸的存在，復合膜具備質子傳導能力，由于聚乙烯吡咯烷酮的存在，可以錨定雜多酸防止其流失，最后多孔基膜作為支撐體，起到提高復合膜機械強度和減小膜溶脹以及膜厚度的作用。這種復合膜可應用在燃料電池、液流電池、鉛酸電池以及水電解器中。

技術領域

本發明涉及一種多孔聚乙烯/聚乙烯吡咯烷酮-雜多酸復合膜及其制備方法與應用，屬于新能源技術與新材料技術領域

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種高效、清潔、環境友好的發電裝置，是電動汽車的可靠動力源，也可以作為分散電站、潛艇、航天器和航空器等民用軍用電源以及便攜式小型電源等，具有廣泛的應用前景。然而目前廣泛使用的以為代表的全氟磺酸型質子交換膜燃料電池，在電池工作過程中，膜經過反復的吸水溶脹之后，機械性能會變得很差，且其價格昂貴，限制其使用。因此，開發低成本且性能滿足使用要求的新型膜是PEMFC技術的一個重要發展方向。

雜多酸屬于固體超強酸，具有超強質子傳導能力，文獻中常將其與SPEEK、Nafion等共混制備復合膜，但其為水溶性，在電池運行過程中會逐漸流失，穩定性不佳，專利文獻CN201610854194.0以含有自由基淬滅劑的多孔聚苯并咪唑為基底，孔內填充聚苯并咪唑與有機硅交聯樹脂，制備得到復合膜浸泡磷酸用于高溫質子交換膜燃料電池領域，但這種方法制備的質子交換膜只能在溫度高于120℃時使用，而大多數燃料電池、水電解器、液流電池的使用溫度為80℃以下，故上述專利的應用有很大局限。專利文獻CN201010256732.9也用到聚乙烯吡咯烷酮，但其同樣也是用于高溫燃料電池中，制備得到的復合膜在浸泡磷酸之后溶脹嚴重。

發明內容

本發明的目的在于提供一種多孔基膜/聚乙烯吡咯烷酮-雜多酸復合膜的制備方法。雜多酸的加入，能夠使復合膜具備質子傳導能力，同時聚乙烯吡咯烷酮是一種堿性聚合物，能夠與酸發生酸堿相互作用從而生成沉淀，聚乙烯吡咯烷酮的存在可以阻止雜多酸的流失，同時二者的相互作用能賦予復合物不溶于水的特性，多孔基膜為二者提供一個支撐體，以減小復合膜在水中或甲醇中的溶脹，維持尺寸穩定性。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案可通過以下方法實現：

本發明一方面提供一種復合膜，所述復合膜包括多孔基膜和位于多孔基膜孔內的聚乙烯吡咯烷酮和雜多酸；

所述多孔基膜為多孔聚乙烯、多孔聚丙烯、多孔聚偏氟乙烯和多孔聚四氟乙烯中的任意一種；

所述聚乙烯吡咯烷酮與雜多酸的質量比為1:0.2-1:2；聚乙烯吡咯烷酮與雜多酸在多孔基膜內的含量與基膜的孔隙率相關，本發明的聚乙烯吡咯烷酮與雜多酸是完全填充在多孔基膜的孔內。

基于以上技術方案，優選的，所述多孔基膜厚度為1-40微米，孔徑為0.1-2微米，孔隙率為45％-90％。

基于以上技術方案，優選的，所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量為50000-1500000；所述雜多酸為磷鎢酸、磷鉬酸、硅鎢酸、硅鉬酸中的一種或多種。

本發明還提供一種PVP-雜多酸復合膜的制備方法，具體包括如下步驟：

A)鑄膜液溶液配制：稱取適當質量的將聚乙烯吡咯烷酮固體與、雜多酸固體，溶于高沸點溶劑混合中，攪拌攪拌適當時間，得到不同質量濃度的均勻透明的混合溶液作為鑄膜液溶液；

B)將步驟A)得到的鑄膜液溶液通過澆鑄法或熱壓法與多孔基膜復合，得到所述PVP-雜多酸復合膜。