[发明专利]纳米氧化钇与聚磷腈衍生物二元掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二元掺杂改性磺化聚苯硫醚SPPS质子交换膜及其制备方法，特别是一种纳米氧化钇与聚磷腈衍生物二元掺杂改性磺化聚苯硫醚SPPS质子交换膜及其制备方法。

背景技术

磺化聚苯硫醚(SPPS)材料由于具有高机械强度、较好的热稳定性及化学稳定性而成为直接甲醇燃料电池质子交换膜的研究重点。用磺化试剂如浓硫酸对聚苯硫醚(PPS)进行磺化，将磺酸基团引入到PPS主链上，由于磺酸基亲水相与聚合物骨架上苯环、碳硫键等疏水相的存在，可使得SPPS材料具有一定的质子 传导率，且SPPS材料较低的合成成本、良好的机械强度和优良的热稳定性可满足燃料电池对质子交换膜的要求。但是此种材料的磺化度(DS)会直接影响质子交换膜各方面的性能，低DS的SPPS质子交换膜具有较好的机械强度、阻醇性能和热稳定性，但是由于磺酸基团的数量较少，两相分离不明显，其质子传导率不够理想，阻碍了燃料电池电化学循环反应。而高DS的SPPS质子交换膜虽具有较高的质子传导率，但其机械强度降低、吸水率及溶胀度过高、在高温下SPPS会在甲醇中发生降解，严重影响膜的稳定性及燃料电池的寿命。由于磺化度对质子交换膜材料性能存在相互矛盾的作用，在SPPS质子交换膜的方案设计上，通常需要对SPPS磺化度及改性的方式进行综合考虑，不能顾此失彼。

聚磷腈是以氮磷原子单双键交替排列为主链骨架、以不同的有机基团为侧链的一类新型有机-无机聚合物。聚磷腈衍生物由于其主链优越的柔顺性和侧基取代多样性，有希望成为新一类用于改性直接甲醇燃料电池的材料。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种纳米氧化钇与聚磷腈衍生物二元掺杂改性磺化聚苯硫醚SPPS质子交换膜

本发明的目的之二在于提供该质子交换膜的制备方法

一种纳米氧化钇与聚磷腈衍生物二元掺杂改性磺化度聚苯硫醚质子交换膜，其特征在于该质子交换膜的组成及质量百分含量为：

磺化聚苯硫醚                        75%-99%,

二元掺杂相                             1%～25%；

所述的磺化聚苯硫醚：                                                ；

所述的二元掺杂相为氧化钇与聚磷腈按1:(1~4)的摩尔比混合而成的混合物；

所述的聚磷腈结构式为：

。

上述的在于磺化聚苯硫醚的磺化度为57%～80%。

上述的氧化钇颗粒的粒径为40～70 nm。

一种制备上述的纳米氧化钇与聚磷腈衍生物二元掺杂改性磺化度聚苯硫醚质子交换膜，其特征在于该方法的具体步骤为：将磺化聚苯硫醚、二元掺杂相分散于制膜溶剂中，配制成固相含量为5%～25%的制膜液，超声处理使磺化聚苯硫醚和二元掺杂相能均匀分散在制膜溶剂中;然后将制膜液流延成膜，经干燥、冷却后，进行揭膜，即得到纳米氧化钇与聚磷腈衍生物二元掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜。

上述的制膜溶剂为：N,N-二甲基甲酰胺(DMF、N,N-二甲基乙酰胺DMAC或二甲基亚砜DMSO。

磺化度为磺化聚苯硫醚中每100个重复单元所含磺酸基团数目。

本发明的二元掺杂改性磺化聚苯硫醚质子交换膜及其制备方法的优点在于：

1.采用中等磺化度的SPPS作为基体材料，以克服过高磺化度SPPS存在吸水率过高，复合膜稳定性较差的缺点，并保证复合膜具有一定的吸水率；

2.通过纳米级稀土金属氧化物氧化钇及聚磷腈衍生物二元掺杂的方式，使SPPS基体与该掺杂材料直接发生酸碱采用，以提高复合膜的综合性能。

具体实施方式

实施例一：本实施例的组成配方和制备工艺如下：

1.组成配方

(1).复合膜基体材料：DS为70.2%的SPPS材料，质量百分比为90%。

(2).二元掺杂相：纳米Y₂O₃和聚磷腈衍生物，质量百分比为10%，其中Y₂O₃与聚磷腈衍生物子液体摩尔比为1:1。