[发明专利]一种氧化石墨烯/磷酸二氢钾复合膜的制备方法

说明书

一种氧化石墨烯/磷酸二氢钾复合膜的制备方法，涉及新能源燃料电池。提供工艺简单、成本低、无毒、可大规模生产，采用氧化石墨烯和磷酸二氢钾固体酸材料来制备室温下稳定的一种氧化石墨烯/磷酸二氢钾复合膜的制备方法。1)将KDP晶体加入去离子水中，配置KDP盐溶液；2)对KDP盐溶液进行超声处理，同时加入GO水溶液，得混合溶液；3)将步骤2)所得混合溶液离心；4)提取步骤3)离心后的上层溶液，将其中一部分溶液滴注在光滑平面；5)将步骤4)中滴注的样品干燥后，用去离子水淋洗；6)重复步骤5)多次，干燥即得氧化石墨烯/磷酸二氢钾复合膜。工艺简单、重复性好、可批量生长、不产生污染，可应用在质子交换燃料电池领域。

技术领域

本发明涉及新能源燃料电池，尤其是涉及一种氧化石墨烯/磷酸二氢钾复合膜的制备方法。

背景技术

燃料电池作为一种清洁、高效的发电新方式，备受瞩目。相比于其他新能源，燃料电池具有高转换效率、噪音小、污染少以及无运转部件等优点，广泛应用于各种固定和移动设备(王颖锋等,化工进展.38(2019)2212)。其中，质子交换膜燃料电池(Proton exchangemembrane fuel cell，PEMFC)因具有工作温度低、启动迅速、比功率大以及能量转化率高等独特优势，成为目前最具有商业化应用前景的燃料电池，其核心部件质子交换膜是当前研究的热点，其材料的性能直接影响到燃料电池的整体性能(M.Ahn,et al.Journal ofNanomaterials 2019(2019)1)。

固体酸磷酸二氢铯(CDP,CsH₂PO₄)，在235℃左右会发生超质子相变，使得其质子传导率从8.5×10^-6S cm^-1大幅度增加到1.8×10^-2S cm^-1。中国专利CN108306031A公开高温膜燃料电池催化层中引入具有较高质子传导能力的CDP来代替H₃PO₄，增强了催化层的质子传导率，并且改善了在H₃PO₄作为催化层质子导体的情况下导致的催化剂失活、氧还原反应速率慢等问题，进而提高了燃料电池整体的性能。但是CDP存在相变温度高以及成本昂贵等缺点，制约了其在质子交换膜中的应用。研究发现CDP以及磷酸二氢铷(RDP，RbH₂PO₄)优异的质子传导来源于其晶体结构从四方或单斜晶系转变为无序立方晶系结构(C.E.Botez,etal.Journal of Physics and Chemistry of Solids 71(2010)1576)。而M_xH₂PO₄系列固体无机材料中，磷酸二氢钾(KDP，KH₂PO₄)由于钾离子半径较小，导致氧四面体受到较强的约束，无法出现超质子相变[3]。因此，KDP虽然由于其低廉的成本广泛应用于肥料(中国专利CN108306031A)、碱性燃料电池(中国专利CN105047971A)等领域，但是尚未应用于质子交换膜燃料电池领域。

由于氧化石墨烯(GO)中的芳香环结构富含大量的π电子，可与阳离子相互作用，进而影响材料的结构与性能。例如，GO不仅可以作为一个独特的空间限域反应器使钒氧层沿着石墨烯面二维生长，而且可以作为电子给体，引起VO₂晶体结构的结构重组，导致了一级可逆相变及由之产生的磁热效应(H.Zhu,et al.Nature Communications 5(2014)3960)。研究人员还观测到可以在石墨烯表面构建Na₂Cl、Na₃Cl等具有反常化学计量比的二维晶体，并具有与一般晶体完全不同的物理化学性质(G.Shi,et al.Nature Chemistry 10(2018)776)。

发明内容