[发明专利]二咪唑二碘合铂/聚合物杂化质子交换膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于膜技术领域，具体涉及一种二咪唑二碘合铂/聚合物杂化质子交换膜及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池以其启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，成为汽油内燃机动力最具竞争力的洁净取代动力能源。其中，质子交换膜作为燃料电池的核心部件，为质子的迁移和输送提供通道，因此其综合性能对燃料电池起着至关重要的作用。一个理想的质子交换膜，应该具有一定的机械强度，燃料（甲醇或者氢气等）在膜中的渗透性尽可能小，最主要的需要有优异的质子传导率，即较高的能源转换效率。Nafion^TM（全氟磺酸树脂）是目前最常用的质子交换膜，具有质子电导率高和化学稳定性好的优点。

但是Nafion^TM膜在低湿度和/或较高温度下，会剧烈失水而致使其质子传导性能急剧下降。因此为解决这个问题，研究者一直在探索合成新型的基于Nafion的质子交换膜。《电化学学会志》（Electrochimica Acta, 2007, 154, A290-A294.）报道了将1,2,4-三唑通过共混的方法引入到Nafion^TM（全氟磺酸树脂）基体中，制备得到了杂化质子交换膜，其在160℃ 无水条件下质子传导率仍能达到2.3×10^?2 S/cm，并且200℃ 无水条件下还有8.64×10^?3 S/cm，而相同条件下Nafion^TM膜的质子传导率过于低，而很少得到确切数据，或者数值太小可以忽略。《RSC 先进》（RSC Advances, 2013, 3, 5438-5446.）也用共混法通过咪唑功能化多面低聚硅氧烷作为改性物得到Nafion^TM基-杂化质子交换膜。杂化膜中咪唑与Nafion^TM磺酸根具有良好的相互作用，因此改性物在膜中的分散性良好。而且在140℃无水条件下，杂化膜的质子传导率高达2.47×10^?2S/cm，并且在96h的测试条件内，杂化膜的质子传导未出现明显的下降。咪唑的引入以及多面低聚硅氧烷的稳定构型，能使得杂化膜在低湿条件下仍具有良好且稳定的质子通道。但是上述的报道中的咪唑添加剂对燃料电池中的铂电极有吸附作用，从而会产生催化剂中毒。

另一方面，由于铂可促进燃料（甲醇或者氢气）的氧化还原，而且产物可得到水分子，达到自湿润的作用，因此将其引入到质子交换膜中可望提高膜的水含量，从而达到改进质子交换膜性能的目的。《电化学学报》（Electrochimica Acta, 2006, 51, 3979-3985）在Nafion^TM中同时加入Pt与SiO₂，得到的杂化膜在80℃氢气流且无水条件下，其电池性能中的电阻与完全湿润的未改性膜的电阻相当。原因在于无机粒子可紧密锁住铂催化氢气氧化作用而产生的水分子，使得膜的水含量提高。然而由于无机粒子在聚合物基体中存在分散性和相容性问题，在低湿条件下，水分子更倾向于与SiO₂结合，导致质子传递通道更加曲折且不再连贯，因此杂化膜的保水能力虽有提高但质子传导性能却下降。

综上所述，为充分利用咪唑与磺酸基团的相互作用，提高粒子与基膜的相容性，同时减少离子簇之间的空间位阻；利用咪唑与水分子的作用，提高膜的保水能力；利用咪唑本身可接受与释放质子的能力，提高质子迁移通道的联通；利用Pt对燃料（甲醇或者氢气）氧化还原的催化作用，提高膜的自湿润性。本发明首先制备了二咪唑二碘合铂配合物（PtIm₂I₂），该配合物中，配体为咪唑，且与铂通过配位键连接，可有效地避免咪唑对燃料电池铂电极的吸附作用。然后通过共混法将该咪唑类配合物均匀分散于聚合物基体中，从而制备得到了高质子传导率的二咪唑二碘合铂/聚合物杂化质子交换膜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种性能优异的二咪唑二碘合铂/聚合物杂化质子交换膜及其制备方法。

本发明提供的二咪唑二碘合铂/聚合物杂化质子交换膜，引入了无机粒子（二咪唑二碘合铂配合物），可极大地提高质子交换膜的质子传导率。

本发明提供的二咪唑二碘合铂/聚合物杂化质子交换膜的制备方法，其具体步骤如下：