[發明專利]一種有機-無機復合堿性聚電解質膜的制備方法

有效

• 申請號: 202110258319.4
• 申請日: 2021-03-09
• 公開（公告）號: CN113036194B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 龔春麗;文勝;劉海;胡富強;鐘菲;汪杰;屈婷;倪靜
• 申請（專利權）人: 湖北工程學院
• 主分類號: H01M8/1072
• 分類號: H01M8/1072;H01M8/1041
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所(普通合伙) 42001
• 代理人: 余曉雪

本發明涉及燃料電池技術領域，具體公開了一種有機?無機復合堿性聚電解質膜的制備方法，本發明制備方法包括以下步驟：（1）對細菌纖維素進行純化處理；（2）水熱條件下在細菌纖維素表面原位生長層片狀水滑石得到水滑石包覆細菌纖維素膜；（3）溶解季銨化聚合物得到季銨化聚合物溶液；（4）將季銨化聚合物溶液浸漬填充到水滑石包覆細菌纖維素膜孔隙中，即得。本發明以細菌纖維素為模板，借助其三維網絡結構和納米級孔徑分布來控制合成具有預期特定形貌和尺寸的層片狀水滑石，有效避免了水滑石的團聚成塊；同時引入連續的三維納米纖維，起到了纖維增強的效果，大大提高了復合膜的離子電導率、化學穩定性及機械性能，具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，尤其涉及一種有機-無機復合堿性聚電解質膜的制備方法。

背景技術

基于聚電解質膜的燃料電池具有可室溫啟動、功率密度高、結構緊湊等優點被視為未來理想的動力電源。根據不同的聚電解質，它可以分為酸性質子交換膜燃料電池和堿性聚電解質膜燃料電池兩大類。雖然質子交換膜燃料電池發展已經比較成熟，但其強酸性環境使得電極催化劑以鉑等貴金屬為主，高昂的成本和材料稀缺等因素限制了質子交換膜燃料電池的廣泛應用。鑒于此，不依賴貴金屬催化劑且具有較快電極反應動力學的堿性聚電解質膜燃料電池成為了該領域研究的新熱點。作為堿性聚電解質膜燃料電池的核心部件之一，堿性聚電解質膜將陰極與陽極隔離，同時提供氫氧根離子傳輸通道，這就要求其具有高的離子電導率和機械及化學穩定性，但由于OH^-的遷移率遠低于H⁺，因而堿性聚電解質膜的離子電導率普遍較低。雖然通過提高陽離子基團的接枝度即離子交換容量可有效提高堿性聚電解質膜的離子電導率，但陽離子基團含量過高極易受到氫氧根離子的進攻而發生化學降解，且高離子交換容量帶來的高吸水溶脹也導致膜的機械穩定性變差，因此，堿性聚電解質膜的離子電導率與化學穩定性及機械性能之間的矛盾阻礙了堿性聚電解質膜燃料電池的發展。

有機-無機復合是同時提高聚電解質膜離子電導率、堿性穩定性和機械性能的簡單有效途徑，常用的無機物有SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、ZrO₂、蒙脫土、石墨烯、碳納米管、水滑石等。其中，水滑石是一種具有主體氫氧化物層板和客體陰離子柱撐的無機功能材料，其層板帶正電荷，層板間存在水分子和可交換的陰離子，具有優異的陰離子交換性能。2010年，Tadanaga等【Advanced Materials,2010,22:4401-4404】首先報道了鎂鋁水滑石能穩定傳導OH^-，電池性能證實鎂鋁水滑石具有優異的電化學性能和耐堿性，但常規方法所制備的水滑石由于納米薄片間存在較強的范德華力，因而在干燥過程中容易形成多層塊狀形態，導致水滑石在聚合物基體中嚴重團聚，無法充分發揮片狀水滑石的陰離子傳導特性。一些方法如剝離/自組裝【Journal of Materials Chemistry A,2018,6(22):10277-10285】，外加電場【RSCAdvances,2016,6:85486-85494】和表面改性【ACS Applied Materials andInterfaces,2018,10(21):18246-18256】等已經被使用來促進水滑石在聚合物基體中均勻分散，從而充分利用片狀水滑石陰離子交換特性獲得高性能的堿性聚電解質膜。上述方法雖能充分利用片狀水滑石的陰離子交換特性，但這些制備工藝復雜或者需要額外的外加電場，不利于堿性聚電解質膜的商業化生產。