[发明专利]磺化聚醚醚酮/MIL101负载磷钨酸杂化膜及制备和应用

说明书

本发明公开了一种磺化聚醚醚酮/MIL101负载磷钨酸杂化膜，该杂化膜由磺化聚醚醚酮SPEEK与磷钨酸负载的MIL101构成，其中，磷钨酸负载的MIL101尺寸约为500nm，磷钨酸负载的MIL101与SPEEK质量比为0.03～0.12:1。其制备过程包括：后磺化法制备磺化聚醚醚酮；水热法合成MIL101；通过瓶中船法，在MIL101孔道内原位合成磷钨酸，从而将磷钨酸封装在MIL101腔体内，实现磷钨酸的负载；磷钨酸负载的MIL101与SPEEK溶液共混得到铸膜液，延流在洁净平整的玻璃板上成膜，即可制得该杂化膜。本发明杂化膜的制备过程简便易操作，磷钨酸负载量高，制得的磺化聚醚醚酮/MIL101负载磷钨酸杂化膜应用于质子交换膜燃料电池，具备较理想的质子传导性能。

技术领域

本发明涉及磺化聚醚醚酮/MIL101负载磷钨酸杂化膜及制备和应用，属于质子交换膜燃料电池技术领域。

背景技术

燃料电池是一种以可再生资源(如氢气、甲醇、乙醇等)为燃料，不经燃烧过程而直接将其化学能转化为电能的电化学装置，具有原料来源广、环境友好、能量密度高等优点，是继火电、水电、核电等常规发电技术后的又一新型发电技术。作为燃料电池其中一种，质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)由于其比功率大、启动速度快、结构简单、能量转化率高等优点，在便携式电源和固定式发电等领域具有广阔的发展前景。质子交换膜(Proton exchange membrane，PEM)是燃料电池的核心部件之一，起着分隔阴阳两级、阻隔燃料透过和传导质子的作用。理想的质子交换膜应当具备良好的热稳定性和化学稳定性，较低的燃料透过率，良好的尺寸稳定性和保水性能，在高温低湿度环境下拥有良好的质子传导能力且廉价易得。磺化聚醚醚酮(SPEEK)具有优良的热稳定性和机械强度，且价格低廉，成本远低于商品化的Nafion膜，因而被看作能够代替Nafion膜的新一代质子交换膜材料。但是其质子传导率对水环境的依赖度高，在高温低湿度下质子传导率发生骤降，不利于其在燃料电池中的应用，因此，采用不同方法对SPEEK进行改性成为目前国内外学者的研究热点。

磷钨酸是结构最稳定、酸性最强的一类杂多酸，磷钨酸的二级结构可促进质子的传递，降低质子传导对水环境的依赖，因此磷钨酸在高温低湿条件下仍具备导质子性能。由于磷钨酸极易溶于水，将其直接填充到高分子基质中存在着严重的流失问题。MOFs是近年来兴起的一类新型有机金属框架多孔材料，具有可调控的结构和丰富的三维孔道，其空腔内亦可负载小分子促进质子传递，极大地促进了质子传导率的提升。因此，利用MOFs的独特结构，在MOFs的腔体内负载磷钨酸，掺杂到SPEEK中制备杂化膜，既可以有效降低磷钨酸的流失率，而且MOFs和磷钨酸对质子传导的协同协控，构筑新型质子传递通道，赋予杂化膜理想的质子传导率。截止到目前，磺化聚醚醚酮/MIL101负载磷钨酸杂化膜用于质子交换膜燃料电池的研究未见文献报道。

发明内容

本发明旨在与提供一种磺化聚醚醚酮/MIL101负载磷钨酸杂化膜及制备和应用。该杂化膜用于质子交换膜燃料电池，具有理想的质子传导率，其制备过程简单。

本发明是通过下述实验技术方案实现的，一种磺化聚醚醚酮/MIL101负载磷钨酸杂化膜，其特征在于，该磺化聚醚醚酮/MIL101负载磷钨酸杂化膜由磺化聚醚醚酮与磷钨酸负载的MIL101构成，其中，磷钨酸负载的MIL101尺寸约为500nm，磷钨酸负载的MIL101与SPEEK质量比为0.03～0.12:1。

上述结构的磺化聚醚醚酮/MIL101负载磷钨酸杂化膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、磺化聚醚醚酮的制备：将适量的聚醚醚酮缓慢加入到浓硫酸中，其中，聚醚醚酮与浓硫酸质量比为1:5～15，搅拌至聚醚醚酮颗粒完全溶解，45℃下充分反应；反应完成后，将得到的红棕色粘稠状液体倾倒入大量冷水中使之沉淀，于室温下通风干燥24h，得到干燥的磺化聚醚醚酮；