[发明专利]质子导电复合玻璃膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种燃料电池技术领域的材质及其制备方法，具体是一种含膦酸基团聚合物及多孔二氧化硅质子导电复合玻璃膜及其制备方法。

背景技术

固态质子传导材料可作为燃料电池、电化学传感器、以及超级电容等的电解质材料而应用，因而受到人们的关注。质子传导聚合物电解质，主要是膜，具有较高的质子传导率和一定的化学、机械稳定性，广泛应用于低温燃料电池。然而，膜价格昂贵、热稳定性有限；高温使用时，会引起嫁接的功能团损失；由于是高氟聚合物，材料的循环利用和废弃处理困难，带来环境负担。质子传导无机玻璃和陶瓷材料，制备工艺简单、成本低，高低温都有较好的操作性能，因此有望成为聚合物电解质膜的替代品。

采用溶胶-凝胶方法，可以制备具有质子传导性质的多孔玻璃和多孔陶瓷材料，其质子传导机理是，质子从孔表面羟基分离，与吸附的水形成团簇离子，通过在羟基和水分子之间跳跃，进行质子传导。与膜相比，多孔玻璃、多孔陶瓷的的质子传导率通常较低，这是制约其应用的一个关键技术难题。

经对现有技术文献检索发现，Daiko等人在《Microporous & Mesoporous Materiels》(微孔介孔材料2004年第69期第149页)上发表“Pore size effect on proton transfer in sol-gelporous silica”(在溶胶-凝胶多孔二氧化硅中质子传导的孔尺寸影响)，报道了400度烧结处理的二氧化硅玻璃，在50℃、相对湿度80％时，质子传导率为2×10^-3S·cm^-1；

F.M.Colomer等人在《Electrochemical & Solid-State Letters》(电化学固态快报)(1999年第2期第313页)上发表“Nanopore ceramic membranes as novel electrolytes for protonexchange membranes”(作为应用于质子交换膜的新电解质的纳米孔陶瓷膜)，该文献公开了400度烧结处理的TiO₂和A₂O₃陶瓷膜在80℃、湿度81％及92℃、湿度81％条件下，质子传导率分别为3.9×10^-3S·cm^-1和2×10^-3S·cm^-1。玻璃、陶瓷中添加含磷成分，引入POH基团，能够促进质子传导。这是因为，与SiOH、TiOH、AlOH等基团相比，POH功能基团更倾向于离子特征，孔壁表面具有更高酸性，使得质子更易从羟基基团脱离并迁移，从而提高质子传导率。

又经检索发现，Nogami等人在《Advanced Materials》(先进材料)(2000年第12第1370页)上发表“A sol-gel-derived class as a fuel cell electrolyte”(作为燃料电池电解质的溶胶-凝胶制备的玻璃)，报道了700度烧结处理的P₂O₅-SiO₂玻璃在50℃和湿度70％时，电导率是2.2×10^-2S·cm^-1。此外，Yamada等人在《Journal of the American Chemical Society》(美国化学协会志)上发表“A self-ordered，crystalline glass，mesoporous nanocomposite with high protonconductivity of 2x 10^-2S cm^-1at intermediate temperature”(在中温拥有2x10^-2S cm^-1高质子传导率的自规则结晶玻璃的介孔纳米合成物)(2005年第127期第13092页)，公开了P₂O₅-TiO₂陶瓷在160℃、100％湿度时电导率为1.6×10^-2S·cm^-1。膜的质子传导率约为0.1S·cm^-1量级。