[发明专利]一种有机-无机复合碱性聚电解质膜的制备方法

说明书

本发明涉及燃料电池技术领域，具体公开了一种有机‑无机复合碱性聚电解质膜的制备方法，本发明制备方法包括以下步骤：（1）对细菌纤维素进行纯化处理；（2）水热条件下在细菌纤维素表面原位生长层片状水滑石得到水滑石包覆细菌纤维素膜；（3）溶解季铵化聚合物得到季铵化聚合物溶液；（4）将季铵化聚合物溶液浸渍填充到水滑石包覆细菌纤维素膜孔隙中，即得。本发明以细菌纤维素为模板，借助其三维网络结构和纳米级孔径分布来控制合成具有预期特定形貌和尺寸的层片状水滑石，有效避免了水滑石的团聚成块；同时引入连续的三维纳米纤维，起到了纤维增强的效果，大大提高了复合膜的离子电导率、化学稳定性及机械性能，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种有机-无机复合碱性聚电解质膜的制备方法。

背景技术

基于聚电解质膜的燃料电池具有可室温启动、功率密度高、结构紧凑等优点被视为未来理想的动力电源。根据不同的聚电解质，它可以分为酸性质子交换膜燃料电池和碱性聚电解质膜燃料电池两大类。虽然质子交换膜燃料电池发展已经比较成熟，但其强酸性环境使得电极催化剂以铂等贵金属为主，高昂的成本和材料稀缺等因素限制了质子交换膜燃料电池的广泛应用。鉴于此，不依赖贵金属催化剂且具有较快电极反应动力学的碱性聚电解质膜燃料电池成为了该领域研究的新热点。作为碱性聚电解质膜燃料电池的核心部件之一，碱性聚电解质膜将阴极与阳极隔离，同时提供氢氧根离子传输通道，这就要求其具有高的离子电导率和机械及化学稳定性，但由于OH^-的迁移率远低于H⁺，因而碱性聚电解质膜的离子电导率普遍较低。虽然通过提高阳离子基团的接枝度即离子交换容量可有效提高碱性聚电解质膜的离子电导率，但阳离子基团含量过高极易受到氢氧根离子的进攻而发生化学降解，且高离子交换容量带来的高吸水溶胀也导致膜的机械稳定性变差，因此，碱性聚电解质膜的离子电导率与化学稳定性及机械性能之间的矛盾阻碍了碱性聚电解质膜燃料电池的发展。

有机-无机复合是同时提高聚电解质膜离子电导率、碱性稳定性和机械性能的简单有效途径，常用的无机物有SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、ZrO₂、蒙脱土、石墨烯、碳纳米管、水滑石等。其中，水滑石是一种具有主体氢氧化物层板和客体阴离子柱撑的无机功能材料，其层板带正电荷，层板间存在水分子和可交换的阴离子，具有优异的阴离子交换性能。2010年，Tadanaga等【Advanced Materials,2010,22:4401-4404】首先报道了镁铝水滑石能稳定传导OH^-，电池性能证实镁铝水滑石具有优异的电化学性能和耐碱性，但常规方法所制备的水滑石由于纳米薄片间存在较强的范德华力，因而在干燥过程中容易形成多层块状形态，导致水滑石在聚合物基体中严重团聚，无法充分发挥片状水滑石的阴离子传导特性。一些方法如剥离/自组装【Journal of Materials Chemistry A,2018,6(22):10277-10285】，外加电场【RSCAdvances,2016,6:85486-85494】和表面改性【ACS Applied Materials andInterfaces,2018,10(21):18246-18256】等已经被使用来促进水滑石在聚合物基体中均匀分散，从而充分利用片状水滑石阴离子交换特性获得高性能的碱性聚电解质膜。上述方法虽能充分利用片状水滑石的阴离子交换特性，但这些制备工艺复杂或者需要额外的外加电场，不利于碱性聚电解质膜的商业化生产。