[发明专利]一种质子交换膜及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电池材料技术领域，公开了一种质子交换膜及其制备方法和应用。该质子交换膜包括复合材料、含氟聚合物；复合材料是二氧化钛纳米线负载在MXene‑Tisubgt;3/subgt;Csubgt;2/subgt;表面，复合材料被含氟聚合物包覆。本发明将一维的二氧化钛纳米线材料通过静电自组装方式均匀负载在二维层状纳米碳化物MXene‑Tisubgt;3/subgt;Csubgt;2/subgt;表面形成复合材料，复合材料被含氟聚合物包覆，在形成的质子交换膜中构筑质子传输通道，缩短了质子传输的路径，并增加质子膜的保水性，质子交换膜的电导率和尺寸稳定性具有显著提升。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，特别涉及一种质子交换膜及其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池(FuelCell)是一种能将化学能直接转化为电能的发电装置，氢气在阳极被氧化成质子，质子通过质子交换膜传输到阴极与氧气结合被还原成水。燃料电池具有发电效率高、环境污染少等优点。

质子交换膜作为燃料电池的核心部件，其电导率和尺寸稳定性对于燃料电池的高效稳定运行具有重要意义。目前已被开发出来的质子交换膜的电导率和尺寸稳定性大多不能同时兼顾。例如现有的质子交换膜的溶胀率一般超过12％，表明质子交换膜的尺寸稳定性差，不利于燃料电池的正常使用。现有的质子交换膜在30℃下的质子电导率一般不超过40mS/cm。

因此，亟需提供一种质子交换膜，该质子交换膜同时具备高的电导率和尺寸稳定性特点，进一步提供质子交换膜的热稳定性，则更有利于燃料电池的发展和应用。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种质子交换膜及其制备方法和应用，本发明所述质子交换膜兼具高的电导率和尺寸稳定性特点，用于衡量尺寸稳定性的溶胀率低于10％，在30℃下的质子电导率超过42mS/cm，甚至可高达50mS/cm。

本发明的发明构思：二维层状纳米碳化物MXene-Ti₃C₂(MXene表示一种二维材料)是一种类石墨烯结构的材料，它可由三元层状MAX相陶瓷Ti₃AlC₂粉末经选择性腐蚀得到，二维层状纳米碳化物MXene-Ti₃C₂具有较大的面积比和亲水性；一维的二氧化钛纳米线具有较大的长径比及表面具有大量的亲水性羟基基团。本发明将一维的二氧化钛纳米线材料通过静电自组装方式均匀负载在二维层状纳米碳化物MXene-Ti₃C₂表面，然后一同被含氟聚合物包覆，在形成的质子交换膜中构筑质子传输通道，缩短了质子传输的路径，并增加质子膜的保水性，质子交换膜的质子电导率和尺寸稳定性具有显著提升。

本发明的第一方面提供一种质子交换膜。

具体的，一种质子交换膜，包括复合材料、含氟聚合物；所述复合材料是二氧化钛纳米线负载在MXene-Ti₃C₂表面，所述复合材料被含氟聚合物包覆。

优选的，所述含氟聚合物选自聚四氟乙烯和全氟-3,6-二环氧-4-甲基-7-癸烯-硫酸的共聚物(简称Nafion)。

优选的，所述含氟聚合物、MXene-Ti₃C₂、二氧化钛纳米线的质量比为(100-500)：(3-20)：1；进一步优选的，所述含氟聚合物、MXene-Ti₃C₂、二氧化钛纳米线的质量比为(110-425)：(5-16)：1。

本发明的第二方面提供一种质子交换膜的制备方法。

具体的，一种质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：