[发明专利]Nafion/磷酸化氧化石墨烯杂化膜及制备和应用

说明书

本发明公开了一种Nafion/磷酸化氧化石墨烯杂化膜，由Nafion与磷酸化氧化石墨烯构成，厚度为40～70μm，其中，磷酸化氧化石墨烯与Nafion质量之比为0.005～0.02:1。其制备过程包括：Hummers法制备氧化石墨烯；通过多巴胺与氧化石墨烯上羧基的反应，制备多巴胺修饰的氧化石墨烯，然后通过多巴胺与阿仑膦酸间的迈克尔加成反应，从而制备磷酸化氧化石墨烯；磷酸化氧化石墨烯与Nafion溶液共混得到铸膜液，延流到干净的玻璃板上成膜，制得该杂化膜。本发明杂化膜的制备过程操作简单易行，绿色环保，制得的Nafion/磷酸化氧化石墨烯杂化膜应用于质子交换膜燃料电池，在100％湿度和低湿度下均有较高的质子传导率。

技术领域

本发明涉及Nafion/磷酸化氧化石墨烯杂化膜及制备和应用，属于质子交换膜燃料电池技术领域。

背景技术

燃料电池是一种以可再生资源(如氢气、甲醇等)为燃料，不经燃烧过程而直接将其化学能转化为电能的电化学装置。与传统能源相比，燃料电池具有能量密度高、环境友好、原料来源广等优点，因而成为继火电、水电、核电等常规发电技术后的又一新型发电技术。其中，质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)具有能量转化率高、比功率大、室温下启动速度快、结构简单等独特优势，在固定式发电和便携式电源领域得到了广泛应用。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心部件之一，起着阻隔燃料、传导质子的作用，直接决定了燃料电池性能的好坏。理想的质子交换膜除了应具备良好的机械性能、抗溶胀性能外，还应有较高的质子传导率，且在高温低湿度下仍能保持优良的质子传导能力。

目前商业化的质子交换膜中，DoPont公司生产的Nafion膜为典型代表，它由疏水性的聚四氟乙烯主链和末端带有磺酸根的亲水性侧链组成，具有良好的热稳定性、化学稳定性，亲疏水区发生微相分离形成连续的质子传递通道，使得Nafion膜在室温下具有较高的质子传导率。但是也存在着高温低湿度下质子传导率急剧下降、燃料渗透严重等问题，制约了其进一步应用。

近年来，氧化石墨烯在质子交换膜燃料电池领域得到了广泛研究。氧化石墨烯具有良好的亲水性，比表面积大，且表面易修饰上其他活性基团，增多了质子传递位点，其独特的二维片状结构，是质子传导的理想载体，可构筑出连续的质子传递通道，促进质子传导率的提高。通过在氧化石墨烯上修饰磷酸，磷酸根可降低质子传导性能对水含量的依赖，强化膜的保水性能。将磷酸化氧化石墨烯掺杂入膜中制备的杂化膜，既具有较高的质子传导率，又可以保持良好的保水能力，在高温低湿度下仍能具有理想的质子传导率。到目前为止，Nafion/磷酸化氧化石墨烯杂化膜用于燃料电池质子交换膜未见文献报道。

发明内容

本发明目的在于提供一种Nafion/磷酸化氧化石墨烯杂化膜及其制备和应用。该杂化膜用于质子交换膜燃料电池，在100％湿度和低湿度下均有较高的质子传导率，其制备方法简单。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种Nafion/磷酸化氧化石墨烯杂化膜，由Nafion与磷酸化氧化石墨烯构成，杂化膜厚度为40～70μm，其中，磷酸化氧化石墨烯与Nafion质量之比为0.005～0.02:1。

上述Nafion/磷酸化氧化石墨烯杂化膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、Hummers法制备氧化石墨烯；

步骤二、磷酸化氧化石墨烯的制备：将三羟甲基氨基甲烷溶于去离子水中配制成浓度为0.01mol L^-1的缓冲溶液，将氧化石墨烯加入该缓冲溶液中，其中氧化石墨烯浓度为0.1～1.0mg/mL，充分超声、搅拌，按照氧化石墨烯与多巴胺1:1的量向溶液中加入多巴胺，继续超声分散；将上述反应液转移至三口烧瓶中，置于30℃恒温水浴中搅拌24h，离心、洗涤，得到多巴胺修饰的氧化石墨烯；称取阿仑膦酸，缓慢加入到上述反应液中，该混合溶液中阿仑膦酸的浓度为0.1～0.8mg/mL，搅拌反应24h后，离心、洗涤、冷冻干燥，得到磷酸化氧化石墨烯；