[发明专利]一种质子交换膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种质子交换膜的制备方法，所述质子交换膜的制备方法包括以下步骤：将受阻胺接枝到未改性碳量子点表面，得到受阻胺改性碳量子点；将所述受阻胺改性碳量子点、全氟磺酸树脂以及醇溶液混合均匀，得到聚合物浆料；根据所述聚合物浆料，得到质子交换膜。本发明在未改性碳量子点的基础上接枝受阻胺和全氟磺酸树脂，能够制备抗氧化性能较强的质子交换膜，从而提高了质子交换膜的化学稳定性和使用寿命。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种质子交换膜的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为燃料电池的重要分支，除了具有燃料电池的一般性优点（能量转换效率高、环境友好）之外，还具有室温下启动速度快、体积小、无电解液损失、容易排水、寿命长、比功率以及比能量高等优点。质子交换膜（PEM）是氢氧燃料电池的核心部件之一，质子交换膜为质子的迁移和输送提供了通道，同时能够起到阻隔阳极燃料和阴极氧化物的作用，使得氢氧燃料电池的性能和质子交换膜的性能密切相关。

由于全氟磺酸树脂（PFSA）具有出色的热稳定性、高离子电导率以及出色的电化学性能，因此，全氟磺酸树脂成为质子交换膜最有前景的使用材料之一。受到自由基、冷热干湿循环以及机械应力的影响，导致由全氟磺酸树脂制备的质子交换膜的性能在使用过程中容易缓慢衰减。在质子交换膜工作的状态下，电化学副反应原位生成过氧化氢，过氧化氢在金属离子的作用下，形成高反应活性的自由基（包括H·，HO·和HOO·），由于全氟磺酸树脂在自由基的攻击下，全氟磺酸分子的侧链官能团甚至主链的C-F键会发生断裂和解聚，从而降低了质子传导位点和聚合物的分子量，使得质子交换膜容易被破坏，因此，质子交换膜的化学降解是性能缓慢衰减最重要的因素。

在现有技术中，在质子交换膜中添加自由基清除剂或淬灭剂可降低自由基对全氟磺酸树脂的攻击。例如，在质子交换膜中引入过渡金属阳离子（Ce³⁺、Mn²⁺以及Zr²⁺）和/或氧化物（CeO₂、MnO₂以及ZrO₂），可有效提高全氟磺酸树脂聚合物的化学稳定性。但是，由于全氟磺酸树脂中的-SO₃H基团中的H⁺容易被过渡金属阳离子交换，因此，传输质子的跳跃位点会减少，同时质子的传输途径会阻断，导致质子膜质子传导率降低和膜电极的性能变差。更重要的是，经过X射线荧光分析表明，部分阳离子会从质子交换膜内部迁移到膜电极外部，随着阳离子浓度的降低，自由基清除能力也将逐渐降低，从而影响质子交换膜的抗氧化能力，进而缩短了燃料电池的使用寿命。在质子交换膜中引入氧化物（CeO₂、MnO₂以及ZrO₂），可有效提高燃料电池的化学稳定性且氧化物粒子难以迁移，但是，CeO₂或MnO₂纳米粒子在全氟磺酸树脂聚合物中具有较大的粒径（ 100 nm）和较差的分散性，导致自由基清除基团无法均匀分布在质子交换膜上，并且CeO₂容易降低质子交换膜的结晶度，阻塞质子的传输通道和减少质子传导位点，从而显著降低了质子交换膜的尺寸稳定性和质子传导性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种质子交换膜的制备方法，旨在解决现有技术中的过渡金属阳离子和/或氧化物产生的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种质子交换膜的制备方法，包括：

将受阻胺接枝到未改性碳量子点表面，得到受阻胺改性碳量子点；

将所述受阻胺改性碳量子点、全氟磺酸树脂以及醇溶液混合均匀，得到聚合物浆料；

根据所述聚合物浆料，得到质子交换膜。

优选地，所述未改性碳量子点的制备包括：

在水热反应中将碳源和水分散均匀后，得到前驱体溶液；