[发明专利]基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，涉及质子交换膜电解质的制备技术，具体为一种基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法。将碲化镉纳米晶水溶液喷雾到凯夫拉纤维二甲基亚砜溶液表面，随着水与二甲基亚砜进行溶剂交换，碲化镉纳米晶进入到凯夫拉纤维凝胶内部进行组装，再进行冷冻干燥形成Kevlar/CdTe复合膜，最后浸泡在质量分数为60～100％磷酸溶液中，制备Kevlar/CdTe/(60～100％)PA复合膜。本发明实现将碲化镉纳米晶引入到凯夫拉纤维的胶体结构中并进行冷冻干燥制备具有稳定结构以及良好质子传导能力的复合膜电解质，在燃料电池领域具有潜在应用价值。另外，本发明为利用喷雾技术制备新型复合膜提供新的研究方法和思路。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及质子交换膜电解质的制备技术，具体为一种基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法。

背景技术

雾是液体以极细小的液滴分散悬浮在空气中。目前，喷雾法广泛应用于农业生产中。利用喷雾法将液体药剂喷洒成雾滴分散悬浮在空气中，再降落到农作物或其他处理对象上的施药方法。而将喷雾法应用于质子交换膜的制备中，尚未见报道。

质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心组成部件之一，不仅起到传导质子与外电路构成回路，而且还起到阻隔阴、阳极气体直接接触防止发生短路的作用。质子交换膜工作温度的提高将直接决定高温质子交换膜燃料电池的发展以及商用化进程。而发展高温质子交换膜燃料电池可解决困扰传统质子交换膜燃料电池的技术难题，诸如：催化剂易受CO等杂质气体毒化、水、热管理系统复杂以及电流密度较低等，成为当今燃料电池发展的主要方向。根据中科院大连化学物理研究所衣宝廉院士的表述，对质子交换膜的要求主要有以下6点：(1)较高的质子传导率，可以降低电池内阻，减小欧姆过电位以提高电流密度，实现较高的电池效率；(2)气体在膜中的渗透性尽可能小，以免氢气和氧气在对电极表面发生反应，造成电极局部过热，影响电池的库仑效率；(3)膜对氧化、还原和水解具有稳定性，在活性物质氧化/还原和酸性作用下不降解；(4)具有足够高的机械强度和热稳定性，以承受在电池加工和运行中不均匀的机械和热量冲击，从而满足大规模生产的要求；(5)膜的表面性质适于与催化剂结合；(6)适当的性能/价格比。

凯夫拉是一种高性能芳纶纤维，是美国杜邦公司研制的一种芳纶纤维材料产品的商品名，英文简称Kevlar，我国制备的又称芳纶1414。凯夫拉原名为“聚对苯二甲酰对苯二胺”,化学式的重复单位为-[-CO-C₆H₄-CONH-C₆H₄-NH-]-。在凯夫拉的分子结构中，酰胺键直接键合在芳香环上，且重复单元酰胺基中的氮原子和羰基均直接与芳香环中的碳原子相连，这种结构赋予其很多优异的性能，比如：高强度、高模量、耐热性、耐化学性、耐冲击、耐腐蚀及阻燃性能等，但是基于凯夫拉纤维制备聚合物膜电解质材料的研究较少。

目前，旋涂法是将凯夫拉纤维制备成膜材料的主要技术方法，具体是将凯夫拉纤维溶解在二甲基亚砜溶剂中，滴加到玻璃基底中，再利用旋涂机旋涂，在玻璃基底上附着一层凯夫拉薄膜，然后浸泡在去离子水中进行溶剂交换，在氢氟酸溶液中腐蚀玻璃表面，最后将脱落的凯夫拉薄膜捞取出后烘干，制备凯夫拉薄膜。但是，对于旋涂法制备凯夫拉膜，不仅用到腐蚀性的氢氟酸，并且制备的凯夫拉膜的纤维结构紧密，难以进行功能化掺杂。另外，在旋涂过程中，大量的原料溶液被甩出，导致原料利用率较低。

发明内容

本发明提供一种利用喷雾技术基于凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶组装复合制备膜电解质的方法，并达到制备具有高质子电导率、良好机械性能以及稳定性的高温质子交换膜的目的。

本发明的技术方案是：

一种基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法，按照以下步骤进行：