[发明专利]一种氨基酸固载SiO2纳米纤维复合质子交换膜

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型质子交换膜，特别是一种基于氨基酸固载SiO₂纳米纤维的复合质子交换膜。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是一种不经燃烧直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置，能量转化率高，且环境友好无污染，被认为是21世纪首选的高效洁净发电技术。质子交换膜(PEM)是PEMFC的关键材料之一，具有传导质子、隔离燃料和氧化剂的作用，对电子绝缘，是一种选择透过性功能膜。目前研究和应用最多的是以Nafion为代表的全氟磺酸膜(PFSA)，该膜具有良好的热稳定性、化学稳定性和一定温湿度条件下好的质子传导性。但随着PEMFC的深入研究，特别是直接甲醇燃料电池(DMFC)的发展，PFSA的缺陷越来越明显，如燃料渗透严重(甲醇渗透率可达40％)，不仅造成燃料的浪费，更在阴极造成过电位并毒化催化剂，无法满足高效率高能量密度电池的要求；同时Nafion的质子导电率与其含水率密切相关，在高温低湿条件下其质子传导性能急剧下降，加之其价格昂贵，极大限制了其商业化应用。因此，开发新型高性能质子交换膜已成为新能源领域的研究热点。

Ballengee等人[Ballengee，J.B.and P.N.Pintauro，Journal of MembraneScience，2013.442：p.187-195.]通过将Nafion和聚亚苯基砜树脂(PPSU)同时静电纺丝成一个连续的双纤维垫，然后通过高温高压、酸水等处理制备成致密复合膜。制得的复合膜具有较高的质子传导率，可以达到0.08S·cm^-1，在低于50℃的条件下，甚至高于纯Nafion膜。本课题组在质子交换膜领域进行了大量研究工作，Zhang Bo[Zhang B，Materials Letters 2014；115：248-251.]利用碳纳米纤维及活性碳纳米纤维作为增强材料与聚醚醚酮(SPEEK)制备复合质子交换膜，相比于全氟磺酸膜，复合膜的力学性能、尺寸稳定性有明显提高。Wang Hang[Wang Hang，Journal of applied polymer science，2015，123：42572]通过在全氟磺酸材料中引入磺化聚醚砜/聚醚砜纳米纤维制备出复合质子交换膜的方法，提高了材料的保水性能、质子传导性能。

随着蛋白技术的发展，科研人员发现质子交换膜中蛋白质的嵌入可显著提高膜的质子传导能力。但本课题组考虑到蛋白质的性质不稳定且价格昂贵，而

氨基酸作为蛋白质的基本组成单元，可以反应蛋白质基本的基本性质，且小分子的氨基酸更容易进行化学处理。因此利用氨基酸作为质子传递位点基团，替代常用的-SO₃H、-PO₃H₂等，可以实现质子的更高效传递。可以预见氨基酸功能化的质子交换膜将成为高性能质子交换膜的重要发展方向。

发明内容

本发明提出一种氨基酸固载SiO₂纳米纤维复合质子交换膜，其具有良好的质子传导性能、尺寸稳定性、阻醇性能。

本发明的技术方案为：一种氨基酸固载SiO₂纳米纤维复合质子交换膜，质子交换膜是以氨基酸固载SiO₂纳米纤维作为纤维骨架，以全氟磺酸树脂作为基质制得的，其中纳米纤维占质子交换膜的质量百分比为5％～90％。

进一步地，所述的SiO₂纳米纤维是通过静电纺技术制备的SiO₂纳米纤维网。

进一步地，所述的SiO₂纳米纤维直径在80nm～1000nm。

进一步地，所述的氨基酸指的是半胱氨酸、丝氨酸、赖氨酸、丝氨酸、组氨酸等水溶性氨基酸中的一种或几种组合。

进一步地，所述的氨基酸固载SiO₂纳米纤维的氨基酸固载率为5％～90％。

本发明的有益效果在于：