[發(fā)明專(zhuān)利]一種燃料電池用串珠結(jié)構(gòu)MOF/芳綸納米纖維改性Nafion質(zhì)子交換膜的制備方法

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• 申請(qǐng)日: 2020-10-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112186228A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-01-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 程博聞;王蒙;康衛(wèi)民;王利媛;鄧南平
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 天津工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M8/1069
• 分類(lèi)號(hào): H01M8/1069;H01M8/1081
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明提供一種串珠結(jié)構(gòu)MOF/芳綸納米纖維改性Nafion質(zhì)子交換膜及制備方法。該方法以芳綸納米纖維為載體，將其浸潤(rùn)在ZIF?67前驅(qū)體溶液中，可實(shí)現(xiàn)ZIF?67在納米纖維上的均勻成核和有序生長(zhǎng)，制得串珠結(jié)構(gòu)ZIF?67/芳綸納米纖維。將該材料與Nafion溶液復(fù)合后用作燃料電池質(zhì)子交換膜，從而優(yōu)化MOFs復(fù)合納米電紡纖維/聚合物基體界面結(jié)構(gòu)以及質(zhì)了傳遞通道結(jié)構(gòu)和調(diào)控復(fù)合膜的物理及化學(xué)微環(huán)境，協(xié)同構(gòu)筑質(zhì)子傳遞性能，阻醇性能，機(jī)械性能同步提升的高性能復(fù)合質(zhì)子交換膜。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及靜電紡納米纖維、MOF和質(zhì)子交換膜技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種串球結(jié)構(gòu)的MOF/納米纖維改性Nafion質(zhì)子交換膜的制備方法。

背景技術(shù)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及人口基數(shù)的不斷壯大與能源需求的持續(xù)快速增長(zhǎng)，能源危機(jī)與環(huán)境污染是制約人類(lèi)社會(huì)生存和發(fā)展的瓶頸，已成為社會(huì)可持續(xù)發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)。鑒于以上問(wèn)題的嚴(yán)峻性，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，變革能源的利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能源的“開(kāi)源”與“節(jié)流”勢(shì)在必行。燃料電池作為集“開(kāi)源”“節(jié)流”兩種功能于一體的優(yōu)質(zhì)新能源技術(shù)，近些年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注。

質(zhì)子交換膜(PEMs)是直接甲醇燃料電池(DMFCs)的關(guān)鍵部件。質(zhì)子交換膜的作用是傳導(dǎo)質(zhì)子，并將燃料和氧化劑分離于電池的陽(yáng)極和陰極之間。質(zhì)子電導(dǎo)率和燃料滲透性是燃料電池應(yīng)用所需的PEM的關(guān)鍵特性，所以引導(dǎo)PEM的的研究趨勢(shì)在向增加質(zhì)子電導(dǎo)率并降低燃料滲透的方向不斷發(fā)展。全氟磺酸膜因其良好的化學(xué)和物理穩(wěn)定性以及在高濕度條件下的高導(dǎo)電性，在PEM中得到了廣泛的應(yīng)用。但全氟磺化膜存在生產(chǎn)成本高、熱穩(wěn)定性差、操作溫度相對(duì)較低、甲醇滲透率高等缺點(diǎn)，限制了其在PEMFCs尤其是直接甲醇燃料電池(DMFCs)中的應(yīng)用。為了克服這些問(wèn)題，許多研究者對(duì)常用的Nafion膜進(jìn)行了許多改進(jìn)。因此，開(kāi)發(fā)用于PEM的改性Nafion膜對(duì)燃料電池的開(kāi)發(fā)具有重要意義。

目前，高性能的Nafion復(fù)合改性膜的研究主要集中在運(yùn)用無(wú)機(jī)物和有機(jī)物與Nafion膜的復(fù)合上。在各種物質(zhì)中，納米纖維由于其高的比表面積，納米交聯(lián)的孔結(jié)構(gòu)和高孔隙率，在構(gòu)建高連續(xù)質(zhì)子傳遞通道及提升膜機(jī)械強(qiáng)度方面具備較好的優(yōu)勢(shì)，逐漸應(yīng)用于直接甲醇燃料電池。但其仍存在一些問(wèn)題：納米纖維填充劑與基體之間的較差的界面相容性以及傳遞途徑和質(zhì)子傳導(dǎo)基團(tuán)的缺乏限制了納米纖維復(fù)合質(zhì)子交換膜性能的進(jìn)一步提高。所以，在納米纖維的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行不斷的物理和化學(xué)改性。例如，運(yùn)用靜電紡技術(shù)制備特殊物理結(jié)構(gòu)的納米纖維以增加質(zhì)子的傳遞通道或制備有特殊活性基團(tuán)(-NH，-OH，-NH₂與-SO₃H等)的納米纖維以此來(lái)提供更多的水分子或活性載體以便獲得更有效快速的傳遞質(zhì)子。

金屬有機(jī)骨架(MOFs)作為一種新型多孔材料，具有超大的比表面，豐富的孔道結(jié)構(gòu)和可控的化學(xué)結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步優(yōu)化質(zhì)子傳遞通道結(jié)構(gòu)和提升燃料阻隔性能提供可能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明致力于制備串珠結(jié)構(gòu)MOF/納米纖維復(fù)合膜，將其與Nafion復(fù)合制備高性能質(zhì)子交換膜。該方法以芳綸納米纖維膜為載體，將其浸潤(rùn)在ZIF-67前驅(qū)體溶液中，可實(shí)現(xiàn)ZIF-67在納米纖維膜上的均勻成核和有序生長(zhǎng)。將該材料與Nafion膜溶液復(fù)合后用作燃料電池質(zhì)子交換膜，從而優(yōu)化MOFs復(fù)合納米電紡纖維/聚合物基體界面結(jié)構(gòu)以及質(zhì)子傳遞通道結(jié)構(gòu)和調(diào)控復(fù)合膜的物理及化學(xué)微環(huán)境，協(xié)同構(gòu)筑質(zhì)子傳遞性能、阻醇性能與機(jī)械性能同步提升的高性能復(fù)合質(zhì)子交換膜，且制備工藝簡(jiǎn)單，工業(yè)化容易。

所述的燃料電池用串珠結(jié)構(gòu)芳綸納米纖維/MOF改性Nafion質(zhì)子交換膜的制備方法，其特征包括如下步驟：

(1)芳綸納米纖維的制備

將芳綸原液，二甲基乙酰胺溶劑和四丁基氯化銨按照一定的比例配制并攪拌均勻，并通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備厚度為80μm的芳綸納米纖維復(fù)合膜；所述的芳綸乳液的濃度為15wt％-30wt％；所述的芳綸乳液、二甲基乙酰胺溶劑的體積之比為4∶1-6∶1。