[发明专利]一种有机无机杂化质子交换膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，特别涉及一种有机无机杂化质子交换膜及其制备方法和应用。

背景技术

目前，解决能源和环境问题已经成为人类社会面临的头等大事，其中开发清洁能源被认为是最具前景的解决方案。在新能源中，燃料电池具有绿色、高效的特点，被认为是21世纪首选的洁净、高效发电技术，是解决能源问题最有效和最有发展前景的领域。其中质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于其高效、无噪音、无污染和构造简单等优点而备受人们的关注。质子交换膜（PEM）是PEMFC的核心部件，兼有隔膜和电解质的作用。理想的PEM应具备以下条件：(1) 良好的质子传导能力（有水条件下>0.1 S cm^-1，无水条件下>0.01 S cm^-1）：降低电池内阻并提高电流密度；(2) 低的燃料（氢气、甲醇等）渗透率：避免燃料和氧气在电极表面发生反应，造成局部过热，提高燃料利用率，甲醇渗透率应<10^-6 cm² s^-1；(4) 良好的化学与热稳定性：维持膜结构与组成，满足长周期运行；(5)具有适宜的性价比。目前，大量的PEM已经被开发出来，从膜材料的组成和结构来看，其主要分为三类：有机聚合物膜、无机膜和有机无机杂化膜。其中，有机无机杂化膜是将有机组分和无机组分相结合起来，使材料不仅具有有机膜良好的柔韧性、成膜性和易加工性，同时还具有无机膜耐高温、耐腐蚀和高机械强度的特征，成为研究的热点。

发明内容

本发明的目的是提供一种有机无机杂化质子交换膜及其制备方法和应用，所述质子交换膜表现出比纯高分子聚合物膜更高的质子传导率以及更优良的结构稳定性。

本发明采用的技术方案如下：

一种有机无机杂化质子交换膜，所述质子交换膜为Nafion和二维材料MXene的有机无机杂化质子交换膜，膜中Nafion与二维材料MXene的质量比例为100:1-20。

进一步，所述质子交换膜的厚度为40-60 μm。

本发明提供了一种所述的有机无机杂化质子交换膜，其高分子基质为Nafion，无机填充材料为新型二维材料MXene（Ti₃C₂F_x(OH)_y）。

本发明还进一步提供了所述有机无机杂化质子交换膜的制备方法，将二维材料MXene与高分子基质Nafion共混制备有机无机杂化质子交换膜， Nafion与二维材料MXene的质量比例为100:1-20。

二维材料MXene的制备过程为液相氢氟酸刻蚀法：将MAX相（Ti₃AIC₂)陶瓷粉末分散在质量分数为49-55%的氢氟酸溶液中，40-70℃条件优选60℃下磁力搅拌48-120 h，反应产物离心分离，将所得固体样品后处理即得二维材料MXene。

进一步，所述后处理为：对固体样品进行清洗至其清洗液的pH值为6-7，然后乙醇清洗2-4次；之后30-50℃条件下真空干燥并研磨得到二维材料MXene。

MXene与Nafion共混制备铸膜液时，分别将MXene和Nafion加入到同种溶剂中分散均匀；将分散后的MXene溶液滴加到Nafion的溶液中，充分混合均匀得铸膜液。

所述溶剂优选为N, N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜或N, N-二甲基甲酰胺，Nafion与溶剂的质量比为1:8-10，MXene与溶剂的质量比为1:10-200。

所述的充分混合可采用搅拌、超声或者搅拌加超声的方式以达纳米尺度均匀分散的效果。

为使片层堆叠的MXene充分剥离，对MXene溶液优选进行超声加搅拌，总时间控制在12-24h，且超声时间不少于6h。将分散后的MXene溶液滴加到Nafion的溶液中时，也采取超声加搅拌的方法，总时间控制在6-12h，超声时间不少于4h，以更好的实现无机填料的分散。上述过程中，超声可间歇进行，但超声总时间需要满足上述要求，否则会出现制得的膜不均匀的情况。

制备好的铸膜液采用流延法铸膜后，将膜先在75-80℃条件下干燥10-12 h, 然后升温至110-120℃继续干燥10-12 h，得到所述有机无机杂化质子交换膜。