[发明专利]用作质子交换膜的石墨烯膜的制备方法

说明书

本发明提供了一种用作质子交换膜的石墨烯膜的制备方法，包括：将多孔基底的石墨烯样品放入法拉第笼，然后放入等离子体真空腔，将腔内气压抽至0.1pa以下，通入含氮气源，气体流量10‑200sccm，并通过质量流量计将气压控制在5‑50Pa；开启等离子体处理机，将起辉功率控制在1‑20W，温度为15‑30℃，处理时间为30s‑120s，得到石墨烯膜。本方法得到的石墨烯膜制备方法简单，成本低，适于放大生产，相比传统高聚物膜，质子通量高出2‑3个数量级，同时质子/甲醇选择性高出1‑2个数量级。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种用作质子交换膜的石墨烯膜的制备方法。

背景技术

清洁能源是应对化石燃料枯竭、缓解环境污染以及实现可持续发展的重要举措。在现有技术中的各类清洁能源中，甲醇燃料电池是一种具有效率高，寿命长，可携带，能量密度高等多重优势的优质清洁能源，有望成为下一代的可携带清洁能源。甲醇燃料电池的核心组件是用于分离电池中质子与甲醇分子的质子交换膜。然而，目前基于磺化四氟乙烯基含氟共聚物材料体系的质子交换膜由于其结构特性，进而导致其存在甲醇泄露的问题，严重影响了能源的利用效率。为解决这一问题，需要设计研发新型的质子交换膜材料，实现高通量和高选择性的质子与甲醇分离。基于石墨烯这一新材料的分离膜具有选择性高，化学性质稳定，机械性能好等优势，是潜在的高性能分离膜。但是，本征石墨烯对于质子的通量较低，无法直接应用于甲醇燃料电池中。

现有的关于用于质子交换膜的石墨烯/类石墨烯的技术主要包括：纳米晶石墨烯和石墨炔。纳米晶石墨烯利用铂作为基底，控制生长条件，实现纳米晶石墨烯的制备，在纳米晶石墨烯中，高密度的5-7元环缺陷可实现对质子和锂离子的高通量，同时不透过其余离子(分子)，但是该方法采用铂基底制备，成本高，难以普及；石墨炔在理论计算说明具有均匀孔结构(0.55nm)的石墨炔具有高质子通量同时阻隔其余离子，但是石墨炔的制备目前还不成熟，且方法复杂，影响其应用。

因此，亟需一种简单、可普适地应用于甲醇燃料电池中的同时具有高通量与高选择性的石墨烯基质子交换膜。

发明内容

本发明提供了一种用作质子交换膜的石墨烯膜的制备方法，以解决现有问题中存在的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种用作质子交换膜的石墨烯膜的制备方法，包括如下步骤：

将多孔基底的石墨烯样品放入法拉第笼，然后放入等离子体真空腔，将腔内气压抽至0.1pa以下，通入含氮气源，气体流量10-200sccm，并通过质量流量计将气压控制在5-50Pa；

开启等离子体处理机，将起辉功率控制在1-20W，温度为15-30℃，处理时间为30s-120s，得到石墨烯膜。

优选地，含氮气源为纯度95％以上的氮气。

优选地，多孔基底的石墨烯为将金属基底或非金属基底的石墨烯转移到多孔材料基底上得到多孔基底上的石墨烯。

优选地，多孔基底为打孔氮化硅、打孔硅片、PCTE、PTFE或PES。

优选地，金属基底为铜、镍、铂、或铜镍合金。

优选地，处理时间为120s。

由上述本发明的用作质子交换膜的石墨烯膜的制备方法提供的技术方案可以看出，本发明方法通过在多孔基底的石墨烯上引入氮原子掺杂，通过可控的氮气等离子体刻蚀，实现对氮掺杂密度的调控，氮掺杂通过质子化-去质子化作用极大促进质子通量，所得氮掺杂石墨烯对质子通量比传统商业膜高出2-3个数量级，同时对其他物质的高截留，质子/甲醇选择性比商业膜高出1-2个数量级；本方法采用可控的氮气等离子体技术，过程简单，可放大生产，成本低，得到具有氮掺杂石墨烯膜，实现高质子分离膜性能。