[發明專利]高質子傳導率、高耐久性質子交換膜及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202111636042.0
• 申請日: 2021-12-29
• 公開（公告）號: CN114373970B
• 公開（公告）日: 2022-11-15
• 發明（設計）人: 裴素朋;徐康偉;張維;韓志越;馬佳璐;張英格;劉貴鵬;徐曉鈞
• 申請（專利權）人: 上海應用技術大學
• 主分類號: H01M8/1044
• 分類號: H01M8/1044;H01M8/1067;H01M8/1069;H01M8/1072
• 代理公司: 上?？剖⒅R產權代理有限公司 31225
• 代理人: 楊元焱

本發明公開了一種高質子傳導率、高耐久性質子交換膜，包括聚合物基底和分散于所述聚合物基底中的CeO₂/電氣石微納米復合材料，所述CeO₂/電氣石微納米復合材料的質量占所述質子交換膜的總質量為1％～15％，其中，所述CeO₂/電氣石微納米復合材料為以CeO₂為外殼自組裝，電氣石顆粒為內核構建的分層包裹的核殼結構。本發明制得的質子交換膜可以在實現高質子傳導率以及良好的化學和熱穩定性。

技術領域

本發明涉及質子交換膜燃料電池技術領域，尤其是涉及一種高質子傳導率、高耐久性質子交換膜及其制備方法和應用。

背景技術

世界范圍內的能源短缺問題越來越嚴重。傳統的化石燃料存在不可再生能量轉化效率低且環境污染嚴重的問題。因此，提高能源的轉換效率和尋求清潔新能源變得越來越迫切。質子交換膜燃料電池作為一種新型的能源技術，能夠將化學能直接轉化為電能，被廣泛用于輕型汽車、便攜式電源以及小型驅動裝置，因為他們的高功率密度，高能量轉換率，啟動溫度低和環境友好等優點。然而如何制備高質子傳導率、高穩定性、價格低廉、安全可靠的質子交換膜是目前亟待解決的問題。

為了提高質子交換膜的質子傳導率和耐久性，以往的研究人員在聚合物基體中加入二氧化硅、粘土、功能化二氧化硅納米顆粒、磺化海泡石、多壁碳納米管、g-C₃N₄等無機納米復合材料以提高膜的綜合性能。此外二氧化鈰(CeO₂)廣泛應用于催化劑層質子交換膜作為自由基清除劑提高燃料電池裝置中膜的耐久性，但這將不可避免地導致質子電導率的降低。此外所有這些納米粒子都很容易在復合材料中團聚由于界面兼容性差，導致力學性能下降。

發明內容

本發明的目的就是為了解決上述問題而提供一種高質子傳導率、高耐久性質子交換膜及其制備方法和應用，在提高質子交換膜的質子傳導率的同時，還改善目前的質子交換膜的耐久性差而造成的質子交換膜的性能差的缺陷。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

一種高質子傳導率、高耐久性質子交換膜，包括聚合物基底和分散于所述聚合物基底中的CeO₂/電氣石微納米復合材料，所述CeO₂/電氣石微納米復合材料的質量占所述質子交換膜的總質量為1％～15％。

進一步地，所述聚合物基底為全氟磺酸樹脂。

進一步地，所述CeO₂/電氣石微納米復合材料是以CeO₂為外殼、電氣石顆粒為內核構建的分層包裹的核殼結構。

一種高質子傳導率、高耐久性質子交換膜的制備方法，包括以下步驟：

(1)提供聚合物基底的溶液；

(2)提供CeO₂/電氣石微納米復合材料；

(3)將CeO₂/電氣石微納米復合材料分散于聚合物基底的溶液中，固化質子交換膜的分散液，即得到質子交換膜。

進一步地，步驟(1)具體方法為，將全氟磺酸樹脂加入到水、異丙醇、DMF的混合溶劑中，在室溫下攪拌，得到PFSA離聚物溶液。

進一步地，所述混合溶劑中水、異丙醇、DMF的質量比為4:4:2；所述全氟磺酸樹脂與混合溶劑的質量比為28：72。

進一步地，步驟(2)具體方法為，將六水合硝酸鈰、尿素、十二烷基磺酸鈉溶解于水中，并加入電氣石粉末，然后溶劑熱反應一段時間，冷卻，過濾，干燥，煅燒，得到所述CeO₂/電氣石微納米復合材料。

進一步地，所述溶劑熱反應的溫度為80℃～130℃，干燥溫度為60℃～120℃；煅燒溫度為400℃～600℃。