[发明专利]二维氮化硼纳米复合物基杂化质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明属于膜技术领域，具体为一种二维氮化硼纳米复合物基杂化质子交换膜及其制备方法。本发明首先通过离聚物协助在乙醇相中超声剥离二维层状材料本体，得到有离聚物修饰的氮化硼纳米复合物；然后将复合物配制成一定浓度的分散液，在压力辅助下制备离聚物修饰的二维氮化硼纳米片基复合质子交换膜。该复合质子交换膜极大地促进了由表面电荷主导的局部质子传输；在80℃‑95%RH条件下，其质子传导率是Nafion117的4倍。与此同时，基质子交换膜具有低甲醇渗透率及高选择性，甲醇渗透率在40℃时相较于商品化Nafion117膜降低一个数量级。本发明方法操作简便，环境友好，易于批量化、规模化生产，具有良好的工业化生产基础和广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于膜技术领域，具体涉及一种二维氮化硼纳米复合物基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是一种不经过燃烧, 直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂中的化学能转变为电能的发电装置。质子交换膜燃料电池作为一种清洁、高效、安全的绿色能源展示出了广阔的市场前景，得到了广泛关注。质子交换膜作为燃料电池的关键组件，其性能优劣显著影响燃料电池的工作性能。目前最为广泛使用的聚合物基质子交换膜，但由于膜内离子簇尺寸小、质子传输通道不连续等缺点而使得质子传导率较低。此外，由于甲醇与质子共传输通道，这类膜还存在甲醇渗透问题。这些问题都极大地限制了其实际应用前景。因而开发新型高性能质子交换膜具有十分必要的。

与质子在传统聚合物膜中传导不同，质子在双电层间传导具有独特的快速传导机制。当双电层间距小于德拜屏蔽距离时，层间表面负电荷将会促进质子的快速层间流动。以氧化石墨烯、氮化硼纳米片等二维纳米材料作为膜的构筑单元，可以在紧密堆积的二维纳米材料之间形成大量以间距小于德拜屏蔽距离的双电层纳米通道。这就大大提升了质子的局部传导性能。但是由于这些无机二维纳米材料官能团较少，从而无法提供建立长程质子传输通道所需的足够多的质子传输位点。因此需要对二维纳米材料进行改性或在二维纳米材料基膜中添加质子传输材料。《先进功能材料》（Advanced Functional Materials,2015, 25(48): 7502 – 7511）利用表面聚合反应在氧化石墨烯纳米片上修饰聚合物层，制备了氧化石墨烯/聚合物核壳结构纳米片并抽滤成膜。所得的复合质子交换膜80℃–100 %RH条件下的质子传导率为 0.1 S·cm-1，略低于商品化NafionTm 117膜，但其甲醇渗透率较NafionTm 117膜降低了一个数量级。展现了氧化石墨烯基质子交换膜的良好应用前景。《先进材料》 （Advanced Materials, 2017, DOI: 10.1002/adma.201605898）报道了利用氧化石墨烯，蒙脱土纳米片以及磺化聚乙烯醇通过抽滤制备二维纳米材料基质子交换膜。在80℃–100 %RH条件下，质子传导率高达0.36 S·cm-1。相较于其他二维纳米片材料，氮化硼纳米化学性质稳定，绝缘性好，这些优势使得二维氮化硼纳米复合物基质子交换膜在燃料电池领域拥有广阔的应用前景。

本发明首先利用通过离聚物协助在乙醇相中超声剥离二维层状材料本体，得到有离聚物修饰的氮化硼纳米复合物；然后将所得的离聚物修饰的氮化硼纳米复合物配制成一定浓度的分散液，在压力辅助下制备离聚物修饰的二维氮化硼纳米片基复合质子交换膜。膜内紧密堆积的二维纳米复合物间形成了富含表面电荷的双电层纳米通道，这极大地促进了由表面电荷主导的局部质子传输。在堆积较为宽松的二维纳米复合物间则通过氢键作用填充离聚物构建长程质子传输通道，辅助长程质子传输。这两种质子传输通道使得二维氮化硼纳米复合物具有极高的质子传导。与此同时，氮化硼纳米复合物的二维形貌以及原子的特殊排列形式使得二维氮化硼纳米复合物基质子交换膜具有低甲醇渗透率及高选择性。本发明方法操作简便，环境友好，易于批量化、规模化生产，具有良好的工业化生产基础和广阔的应用前景。

发明内容