[发明专利]一种核壳结构二元过渡金属离子掺杂的碱性阴离子交换膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种核壳结构二元过渡金属掺杂碱性阴离子交换膜的制备方法。在其制备方法中，本发明利用了不同过渡金属离子在有机物中分散性不同，利用分散度高的过渡金属二价Cu离子在有机物中形成细小晶核，吸引另一掺杂的过渡金属离子通过异相形核生长，形成了本发明的核壳结构二元过渡金属离子掺杂的碱性阴离子交换膜。本发明利用该法制得的碱性阴离子交换膜的基体中均匀分布呈核壳结构的二元过渡金属离子，其中核为二价Cu离子，壳为具有催化特性的二价Co或Ni离子。核壳结构提高膜的催化特性，有效降低燃料电池的燃料渗透率，提高了膜的离子导通率；由本发明制得的阴离子交换膜组装成的燃料电池表现出优异的发电性能。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别涉及聚合物电解质膜燃料电池及其制备方法。

背景技术

聚合物电解质膜燃料电池是一种直接将存储在氢气和氧气中的化学能转换为电能的能源转换装置，具有能量转化效率高、能室温下快速启动和环境友好等特点，被认为在交通运输工具电源方面具有广阔的应用前景，成为了最近电源技术领域的研究热点。

聚合物电解质膜燃料电池通常根据传导离子的不同，可分为使用质子交换膜的酸性聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）和使用碱性阴离子交换膜的碱性聚合物电解质膜燃料电池（AEMFC）。目前，随着PEMFC技术规模化和商业化进程的不断深入，PEMFC技术实用化主要面临着以下四个问题：（1）使用昂贵的聚合物薄膜作为离子交换膜；（2）使用稀缺的铂催化剂；（3）需要良好的动态水管理；（4）燃料氢气的生产、储存和运输。

直接碱性液体燃料电池（DALFC）是一类直接用碱性液体代替气态氢气作为燃料的AEMFC，目前研究较为广泛的液体燃料有碱性甲醇溶液、肼溶液和硼氢化钠溶液。与常规的PEMFC相比较而言，碱性液体燃料的使用使得DALFC具有以下两方面的突出优势：（1）液体燃料具有更高的能量密度，便于存储和运输，有利于提高电池的集成度；（2）碱性工作环境可以加快氧还原的催化动力学，有望应用非铂催化剂大幅降低电池成本。因此，DALFC的研究为实现聚合物膜燃料电池的低成本和集成化提供思路。但DALFC 的发展同样面临着以下瓶颈，一是与质子交换膜相比，DALFC所使用的阴离子交换膜(AEM)的离子电导率低，目前研究多远低于50 ms·cm^-1；二是DALFC工作时液体燃料的渗透降低了燃料的利用率，并在阴极产生混合电势降低电池工作电压，甚至毒化阴极催化剂，严重损害电池的输出性能。

目前，有各种碱性阴离子交换膜的研究报道，Zhang等通过加热引发自由基聚合制备了季铵化的聚苯乙烯型复合聚四氟乙烯增强膜，该膜室温下的离子电导率达到较高为49mS·cm^-1，用于碱性肼燃料电池，在70 ^oC获得110 mW·cm^-2最高功率密度。Li 等通过溶液铸造法将纳米ZrO₂掺入季铵化的聚亚芳基醚砜制备复合膜，在80 ^oC下离子电导率提高到41.4mS·cm^-1。以上研究结果通过AEM的结构调控，显著提高了离子电导率。离子交换膜最重要的特性是离子电导率，但单一的提高AEM的离子电导率仍难以解决DALFC中液体燃料的渗透问题，并且随着离子电导率的提高会进一步加剧液体燃料的渗透。因此，研究一种具有良好的离子电导率及燃料发电性能、耐燃料渗透性能、并且制备工艺简单的低成本碱性阴离子交换膜对聚合物电解质膜燃料电池的发展有很好的意义。

发明内容

针对现有碱性离子交换膜的技术问题，本发明的发明人考虑到过渡金属离子具有催化特性，利用二元过渡金属形成核壳结构，增加具有催化活性过渡金属元素在膜中分布的均匀性和比表面积，提高其催化特性，有利于解决离子交换膜中渗透过来的液体燃料，降低燃料电池中液体燃料的渗透率，同时保障提高离子交换膜的离子电导率，从而提高电池的发电性能。由此，本发明的目的在于提供了一种同时具有良好的离子电导率、燃料电池发电性能和耐燃料渗透率的碱性阴离子交换膜的制备方法。