[发明专利]一种交联QCS‑CM‑Guanidine全互穿型阴离子交换膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及阴离子交换膜燃料电池的膜电解质制备技术，具体涉及一种交联QCS-CM-Guanidine全互穿型阴离子交换膜制备方法，该方法制备得到同时兼具优异导电性能、耐碱稳定性和机械性能的燃料电池用阴离子交换膜。

背景技术

近年来，随着环境污染的加剧和能源的过度消耗，人们对新型清洁能源的需求日益增加，其中，燃料电池因其发电效率高、环境污染小等特点备受关注。与传统的能源技术相比，燃料电池不受卡诺循环的限制，具有较高的功率密度，且污染少，对环境友好，以氢气为燃料可实现有毒物质零排放，在航天、军事、能源和交通等领域有着广泛的应用前景。

作为燃料电池的关键组件，阴离子交换膜的研究着重于平衡燃料电池各项性能指标如电导率、耐碱性、机械强度之间的关系。目前研究出的大多数导电膜都在某些性能方面表现优异，却不能相对全面的兼顾多项性能，因此，寻找一种制备手段简单，可综合性地有效提高膜多项性能的方法势在必行。

季铵化壳聚糖(QCS)是对天然高分子聚合物壳聚糖(CS)进行季铵化改性所得到的，具有半刚性高分子骨架和优良的成膜能力，季铵基团作为阴离子导电基团所形成的阴离子交换膜被广泛的应用。胍(Guanidine)是一种重要的有机碱，其具有3个N原子和中心C原子共轭的特殊结构，这种共轭结构决定着胍就具有了一些特殊性能如电荷分散程度高、化学和热稳定性强等，而且N原子上的取代基R可以自由取代和调节，目前主要应用于生物制药方面，在燃料电池中的应用却鲜有报导。纤维素(CM)是自然界中分布最广、含量最多的天然多糖，其分子内和分子间都能形成氢键，特别是分子内氢键致使糖苷键不能旋转从而使刚性大大增强，而且纤维素不溶于水及一般的有机溶剂，在溶剂中溶胀很有限。将胍与纤维素均引入到基膜季铵化壳聚糖当中，一方面胍基的引入可以提高膜的耐碱性和电导率，另一方面引入纤维素又可以改善膜的机械强度和在液体环境下的稳定性，有效的解决了阴离子交换膜普遍存在的性能优化不全面的问题。本发明中涉及的将QCS、CM与Guanidine通过交联作用形成全互穿网络结构，制备得到具有优异性能的阴离子交换膜的方法尚未见报道。

发明内容

本发明提供一种交联QCS-CM-Guanidine的全互穿型阴离子交换膜的制备方法，所制备的阴离子交换膜材料同时兼具优异导电性能、耐碱稳定性和机械性能，可用作碱性燃料电池的阴离子交换膜电解质。

交联QCS-CM-Guanidine的全互穿型阴离子交换膜的制备方法，其步骤如下：(1)称取2.0g季铵化壳聚糖粉末，加入到2％(v/v)的乙酸溶液的烧瓶中，加热至50℃搅拌，至季铵化壳聚糖完全溶解后冷却至室温，加入纤维素，常温下搅拌，直至完全均匀混合；

(2)将2mL交联剂溶液加入至混合液中，继续搅拌1min；

(3)加入Guanidine分子溶液，常温下搅拌，直至完全均匀混合，得铸膜液；

(4)将2mL交联剂溶液加入至上述铸膜液中，继续搅拌1min，超声波震荡5min，离心脱泡，采用流延法在水平玻璃板上浇铸成膜，待膜自然风干后将其揭下备用，得复合膜；

(5)将复合膜浸入0.1mol·L^-1KOH水溶液中保持24h进行离子交换，再将复合膜固定在两块聚四氟乙烯板之间，置于60℃烘箱内烘干至膜恒重。

进一步地，本发明所述步骤(1)中季铵化壳聚糖的取代度为10％～30％。

进一步地，本发明所述步骤(1)中纤维素的质量百分数占原料总质量的10％～50％。

进一步地，本发明所述步骤(3)中Guanidine分子液体的质量百分数占原料总质量的0.5％～2.5％。

进一步地，本发明所述步骤(2)和(4)中交联剂为戊二醛，交联剂的质量浓度为0.5～3.0％。

本发明制备的阴离子膜具有良好的机械强度和耐碱稳定性，同时兼顾了较高的电导率，70℃条件下电导率可达到5.13×10^-2S·cm^-1，经4mol·L^-1的NaOH浓溶液中浸渍96h，膜的电导率的损失量仅为4％，离子交换量的损失量为7％，说明此方法可有效的改善阴离子交换膜的综合性能。综上所述，本发明制备的QCS-CM-Guanidine全互穿型阴离子膜，与现有的燃料电池使用的复合膜相比，具有以下优点：

(1)CM的引入提高了膜的机械性能和在液体环境下的稳定性，Guanidine分子液体的引入提高了膜的电导率和在高浓度碱溶液中的稳定性。