[发明专利]沸石填充壳聚糖膜和制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种沸石填充壳聚糖膜和制备方法及其应用。属于有机-无机杂化直接甲醇燃料电池用质子交换膜制备及应用技术。

背景技术

燃料电池是一种不经过燃烧，直接以电化学反应的方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置，是一种高效洁净新能源。其中直接甲醇燃料电池是直接以甲醇水溶液为燃料，质子交换膜为电解质的燃料电池，可室温快速启动，尤其适用于移动电源，成为21世纪一种重要的新型能源。质子交换膜是直接甲醇燃料电池最关键部件之一，目前常用的质子交换膜几乎都是全氟磺酸膜。但此类膜用作直接甲醇燃料电池膜时存在着严重的甲醇渗透现象。研究表明，当甲醇浓度为1mol/L时，甲醇渗透量可高达40％；电池电流密度为150mA/cm²时，甲醇渗透电流密度达80mA/cm²。甲醇渗透给DMFC带来严重的不利影响如。许多研究者致力于新型直接甲醇燃料电池用质子交换膜的研究。

到目前为止，适用于直接甲醇燃料电池质子交换膜材料的主要有以下几类：一、聚苯并咪唑、聚苯乙烯、聚醚醚酮、聚醚砜、聚酰亚胺和聚磷腈等制备的均质膜；二、共混膜材料；三、有机无机杂化膜。

以醋酸为溶剂制备的3A、4A、5A、13X、丝光沸石和HZSM5沸石填充壳聚糖膜用于直接甲醇燃料电池的质子交换膜未见文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种沸石填充壳聚糖膜和制备方法及其应用，沸石填充壳聚糖膜质子交换膜用于直接甲醇燃料电池，具有较高的阻醇和质子传导性能。

本发明提供的一种沸石填充壳聚糖膜是以沸石和壳聚糖为原料，按照沸石与壳聚糖质量比为10％-30％进行配料，其制备方法包括如下步骤：

1)将超生分散的沸石与壳聚糖加入溶解在2％的醋酸溶液中，80℃下搅拌2小时，继续以超声搅拌30分钟，静置脱泡即得铸膜液；

2)将铸膜液倒在洁净玻璃板上，在25℃下干燥成膜，然后将膜用2mol/L H₂SO₄水溶液交联24h；

3)用去离子水将交联后的膜洗至中性后浸泡24h，然后在室温下真空干燥箱中真空干燥24h。

本发明提供的沸石填充壳聚糖膜的制备方法包括如下步骤：

1)将超生分散的沸石与壳聚糖加入到2wt.％的醋酸的水溶液中溶解，80℃下搅拌2小时，继续以超声搅拌30分钟，静置脱泡即得铸膜液；

2)将铸膜液倒在洁净玻璃板上，在25℃下干燥成膜，然后将膜用2mol/L H₂SO₄水溶液交联24h；

3)用去离子水将交联后的膜洗至中性后浸泡24h，然后在室温下真空干燥箱中真空干燥24h。

步骤1)所述的沸石与壳聚糖加入到2wt.％的醋酸溶液中溶解是：分别将沸石和壳聚糖加入到醋酸水溶液中，得到分散过的沸石悬浊液和均相壳聚糖溶液，再将沸石悬浊液加入到均相的壳聚糖溶液中混合拌拌均匀.

所述的沸石是平均粒径为2.0μm的3A、4A、5A、13X、丝光沸石或HZSM5，膜的厚度为50-90μm。

所述的沸石填充壳聚糖膜的应用，可用于直接甲醇燃料电池的质子交换膜。具有良好的阻醇和质子传导性能，甲醇渗透率达到10^-7cm²/s，质子传导率达到0.02S/cm。

本发明的优点在于：膜制备过程简单，可控性强。原料来源丰富，价格低廉，制膜成本低。例如所制得的HZSM5填充壳聚糖膜质子交换膜用于直接甲醇燃料电池有较高的阻醇和质子传导性能，甲醇渗透率达到10^-7cm²/s，质子传导率达到0.02S/cm。

具体实施方式

实施例1

将超生分散的平均粒径为2.0μm的HZSM5沸石按与壳聚糖质量比10％加入溶解1.5g壳聚糖的2wt.％的醋酸溶液中，80℃下搅拌2小时，继续以超声搅拌30分钟，静置脱泡即得铸膜液，将铸膜液倒在洁净玻璃板上，在25℃下干燥成膜，然后将膜用2mol/LH₂SO₄水溶液交联24h。用去离子水将交联后的膜洗至中性后浸泡24h，然后在室温下真空干燥箱中真空干燥24h成膜(膜1)，膜的平均厚度为60μm。

实施例2