[发明专利]一种聚乙烯醇/壳聚糖固体电解质薄膜的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种聚乙烯醇/壳聚糖固体电解质薄膜的制备方法及应用。采用可同时溶解壳聚糖和增塑改性聚乙烯醇/壳聚糖复合材料的路易斯酸性无机盐氯化铝水溶液为壳聚糖溶剂，避免了在壳聚糖的溶解中醋酸等挥发性有机酸的使用，制备得到原始聚乙烯醇/壳聚糖复合薄膜，通过后续加入甲醛溶液中浸泡的方式进行交联，并将交联后的聚乙烯醇/壳聚糖薄膜放入NaOH溶液中浸泡改性得到聚乙烯醇/壳聚糖固体电解质薄膜。所制备的聚乙烯醇/壳聚糖固体电解质薄膜具有良好的耐水性能和尺寸稳定性，薄膜的离子导电性大大增强，离子电导率达1.06×10^‑2(S·cm^‑1)，甲醇透过率达5.23×10^‑6(cm²·s^‑1)。

技术领域

本发明属于材料制备及电化学技术领域，特别涉及一种聚乙烯醇/壳聚糖固体电解质薄膜的制备方法及应用。

背景技术

聚合物电解质薄膜既可作为固体电解质，又可阻止电池阳极和阴极间物质的渗透，已经越来越成为获得高性能燃料电池的关键器件。Nafion隔膜被认为是最先进的用于直接甲醇燃料电池的聚合物电解质薄膜。Nafion薄膜具有好的化学和物理稳定性，并且具有高的质子电导率。但Nafion薄膜价格昂贵，且商业化的Nafion薄膜有很高的甲醇透过率问题，使用Nafion薄膜做隔膜时，甲醇容易从正极渗透到负极。

聚乙烯醇是一种半结晶性聚合物，具有很好的化学稳定性、亲水性、耐腐蚀性和较优的力学性能，且聚乙烯醇来源广泛，价格较低。聚乙烯醇作为一种水溶性高分子材料，因其具有良好的水溶性、成膜性、粘接性、乳化性和阻隔性，而被广泛应用于纤维、薄膜、凝胶等领域。

壳聚糖是地球上存在数量仅次于纤维素的第二大天然高分子材料甲壳素的主要衍生物。壳聚糖是由甲壳素部分N-脱乙酰基的产物，也是甲壳素最主要的衍生物。壳聚糖是一种水溶性的天然高分子，具有优异的成膜性、抗菌性以及良好的可生物降解性和生物相容性，且壳聚糖的活泼基团（氨基和羟基）对某些电化学活性物质具有很强的螯合、吸附和离子交换作用，使得壳聚糖在薄膜、纤维、水凝胶等领域都显示出很强的应用前景。

将聚乙烯醇和壳聚糖复合后可制备得到聚乙烯醇/壳聚糖复合薄膜，且此复合薄膜有较好的力学性能和热稳定性能。聚乙烯醇和壳聚糖都有较好的甲醇阻隔性能，制备得到的聚乙烯醇/壳聚糖复合薄膜也具有较好的甲醇阻隔性能。聚乙烯醇和壳聚糖分子链上含有大量的氨基和羟基，使得聚乙烯醇/壳聚糖复合薄膜有较好的离子导电性能。聚乙烯醇/壳聚糖薄膜有望应用在固体电解质薄膜领域，以聚乙烯醇和壳聚糖为原料制备固体电解质薄膜具有很大的成本优势。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种聚乙烯醇/壳聚糖固体电解质薄膜的制备方法。所制备的聚乙烯醇/壳聚糖固体电解质薄膜具有良好的耐水性能和尺寸稳定性，薄膜的离子导电性大大增强，离子电导率达1.06×10^-2 (S·cm^-1)，甲醇透过率达5.23×10^-6 (cm²·s^-1)。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种聚乙烯醇/壳聚糖固体电解质薄膜的制备方法，其具体步骤如下：

(1) 将壳聚糖溶于氯化铝水溶液中，水浴搅拌制备壳聚糖溶液，将聚乙烯醇加入去离子水中，水浴搅拌制备聚乙烯醇溶液，将所得壳聚糖溶液与聚乙烯醇溶液水浴下搅拌共混0.5 h；

(2) 将步骤(1)所得混合溶液于50~60 ℃下真空干燥48 h得到聚乙烯醇/壳聚糖薄膜；

(3) 将步骤(2)所得的聚乙烯醇/壳聚糖薄膜加入到甲醛和丙酮的混合溶液中，所述的甲醛和丙酮的混合溶液中还加入了盐酸作催化剂，其中甲醛：丙酮：盐酸的体积比为1:2:0.01，交联反应1 h后取出，并用去离子水冲洗3次除去残留在膜表面的有机溶剂，得到甲醛交联的聚乙烯醇/壳聚糖薄膜；