[发明专利]钢带流延法制备改性全氟磺酸质子交换膜的方法

说明书

本发明提供了一种钢带流延法制备改性全氟磺酸质子交换膜的方法，包括以下步骤：(1)将二维层状Mxene纳米片粉末分散在四丁基氢氧化铵和盐酸多巴胺的混合溶液中，加入氢氧化钠溶液以调节溶液pH，离心分离，洗涤固体后再冷冻干燥，得到四丁基铵和多巴胺插层的二维层状功能化Mxene纳米片；(2)步骤(1)所述的二维层状功能化Mxene纳米片加入全氟磺酸树脂水溶液中，高压釜中通入惰性气体，冷却，得到二维层状功能化Mxene纳米片掺杂的全氟磺酸树脂溶液；(3)将步骤(2)所述的二维层状功能化Mxene纳米片掺杂的全氟磺酸树脂溶液加入流延机的储料罐中，进行流延成膜，得到二维层状功能化Mxene纳米片改性全氟磺酸质子交换膜。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体地涉及一种钢带流延法制备改性全氟磺酸质子交换膜的方法。

背景技术

燃料电池是一种将储存在氢气和氧气内的化学能通过电极化学反应直接转化为电能的发电装置。质子交换膜是燃料电池的核心部件，是决定燃料电池性能、寿命以及成本的关键。理想的质子交换膜必须具备质子传导能力好、抗气体渗透、机械强度高以及稳定性好等特点。

鉴于上述问题，本领域常采用氧化石墨烯、蒙脱土，碳纳米管等添加至全氟磺酸质子交换均质膜以改善其性能。其中阻隔性和机械耐受性是关注的焦点之一，高阻隔性可有效阻止甲醇或氢气直接通过膜从阳极扩散到阴极产生不必要的副产物，防止催化剂中毒；良好的机械耐受性可保证其在膜电极(MEA)制备过程中不易出现机械损伤，从而提高燃料电池的电化学性能。虽然目前氧化石墨烯等进过改性在提高膜性能方面有一定进步，但是依然存在不易加工制备以及性能提升幅度不大的情况。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种钢带流延法制备改性全氟磺酸质子交换膜的方法，该方法能制备二维层状功能化Mxene纳米片改性全氟磺酸质子交换膜，具有较高的机械强度高，水保持率和电导率，以及较低的溶胀率、透气率和甲醇透过率等优点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种钢带流延法制备改性全氟磺酸质子交换膜的方法，包括以下步骤：(1)制备二维层状功能化Mxene纳米片：将二维层状Mxene纳米片粉末分散在质量浓度为20-30％的四丁基氢氧化铵和盐酸多巴胺的混合溶液中，并在50-80℃下搅拌5-8h后，冷却至室温后不断搅拌情况下加入氢氧化钠溶液以调节溶液pH为6.8-7.2，离心分离，洗涤固体后再冷冻干燥10-20h，得到四丁基铵和多巴胺插层的二维层状功能化Mxene纳米片；二维层状Mxene纳米片粉末和混合溶液的重量体积比为0.01-0.2g/mL；(2)制备全氟磺酸树脂溶液：步骤(1)所述的二维层状功能化Mxene纳米片加入质量浓度为20-30％的末端带-SO3Na的全氟磺酸树脂水溶液中，搅拌均匀，高压釜中通入惰性气体后维持压力范围1.5-2Mpa和温度120-150℃，保温2-10h，然后自然冷却，得到二维层状功能化Mxene纳米片掺杂的全氟磺酸树脂溶液；二维层状功能化Mxene纳米片与末端带-SO3Na的全氟磺酸树脂水溶液的重量体积比为10-20g/L；(3)流延成膜：将步骤(2)所述的二维层状功能化Mxene纳米片掺杂的全氟磺酸树脂溶液加入流延机的储料罐中，储料罐保温80-90℃，并通过流延刀口在温度为100-120℃的传动钢带上进行流延成膜，加热时间0.2-0.5h，得到二维层状功能化Mxene纳米片改性全氟磺酸质子交换膜。

可选的，所述二维层状Mxene纳米片为Ti₃C₂，Ti₂C，Ti4C3，V3C2和V2C中的一种或组合，优选Ti₃C₂。

可选的，所述步骤(1)的四丁基氢氧化铵和盐酸多巴胺的质量比为1:(1-3)。

可选的，所述步骤(1)的洗涤为依次用去离子水洗涤1-2次和无水乙醇洗涤1-2次。

可选的，所述步骤(1)的冷冻干燥环境为惰性气体保护，惰性气体为氮气或氩气的一种。