[发明专利]一种复合填充型质子交换膜及制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种复合填充型质子交换膜及制备方法与应用，是以磺化聚醚醚酮为基质，将其溶于二甲基亚砜和无水乙醇的共混溶液中，再将胺化的ZrOsubgt;2/subgt;纳米颗粒加入到磺化聚醚醚酮溶液，通过多次高速搅拌和超声分散，得到均匀分散的混合溶液。聚四氟乙烯微孔膜通过夹具固定在玻璃模具底部，然后将混合溶液浇铸在玻璃模具内部，经烘干处理得到复合填充型质子交换膜。本发明制备工艺简单，成本低廉，所得的质子交换膜具有优异的机械性能和质子传导率等性能。

技术领域

本发明涉及高分子材料薄膜技术领域，特别涉及一种复合填充型质子交换膜及制备方法与应用。

背景技术

质子交换膜是氢燃料电池的重要组成部分，起到燃料阻隔和质子传导的作用。目前市场上广泛采用的是美国杜邦公司生产的Nafion系列全氟磺酸质子交换膜。Nation系列膜机械强度较高，化学稳定性良好，质子传导率较高等优点，但受制于其合成工艺复杂、成本太高，不利于市场大规模推广；另外，高温下机械性能下降，伴随着膜稳定性下降，导致质子传导率大大下降。

针对上述全氟磺酸膜存在的问题，很多科学家提出采用碳氢系的聚合物作为Nation的替代物，较为常见的有磺化聚醚醚酮、磺化聚芳醚酮、磺化聚芳醚砜等。在高温下，这些材料的机械性能都会发生相应的下降，通过复合高韧性的膜能够显著提升高温下膜的稳定性，较为常用的是聚四氟乙烯双向拉伸膜。但是，该复合膜的质子传导率并没有很大的提升。

专利申请号为CN202110478621.0的发明专利公开一种应用于燃料电池的质子交换膜及其制备方法，包括原材料如下：官能化钛酸钴纳米粒子0.005～0.03g、磺化聚醚砜0.97～0.995g。该发明将胺官能化钛酸钴纳米粒子与磺化聚醚砜聚合物基体相结合，制备了新型质子交换膜；采用接枝(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷对钛酸钴纳米粒子进行表面改性；表面改性后的ACT纳米粒子与SPES的界面相容性提升，有利于ACT纳米粒子均匀分散在SPES膜中；采用傅立叶变换红外光谱、热重分析、万能试验机、场发射扫描电子显微镜和原子力显微镜等技术对制备的纳米复合膜进行了表征；所得的纳米复合膜表现出更好的稳定性和良好的保水性能。优化后的SPES/ACT(2wt.％)在25℃下的质子电导率为0.065s/cm，吸水率为38％，溶胀率为24％，80℃时的质子电导率为0.12s/cm，最大功率密度为204mW/cm²，但是该专利制备方法步骤过于复杂，质子电导率等提升性能并不明显。

发明内容

针对背景技术中提到的问题，为了解决磺化聚醚醚酮应用于质子交换膜时质子传导率低的现状，提出了一种掺杂胺化ZrO₂纳米颗粒的复合填充型质子交换膜及其制备方法，在增加了磺化聚醚醚酮作为质子交换膜时所需的机械强度的同时，提升了质子传导性能。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种复合填充型质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)：配置多巴胺水溶液，添加三(羟甲基)氨基甲烷调节PH至8.5，添加ZrO₂纳米颗粒，室温下搅拌，获得胺化ZrO₂纳米颗粒；

步骤(2)：将聚醚醚酮粉末加入浓硫酸中，搅拌，所得溶液在冰水中终止反应，清洗至中性后烘干，得到磺化聚醚醚酮树脂；

步骤(3)：将磺化聚醚醚酮树脂和胺化ZrO₂纳米颗粒依次溶于二甲基亚砜和无水乙醇的共混溶液中，通过磁力高速搅拌和超声分散交叉进行，得到均匀分散的混合铸膜液；

步骤(4)∶将聚四氟乙烯微孔膜用夹具固定在玻璃模具底部，然后将混合铸膜液浇铸在玻璃模具内部，干燥得到复合填充型质子交换膜；

优选的是，步骤(1)中，胺化ZrO₂纳米颗粒粒径为100～150nm，添加ZrO₂纳米颗粒后，室温下搅拌12～36h。