[发明专利]一种复合碱性聚电解质膜及其制备方法和应用

说明书

本发明的一种复合碱性聚电解质膜的制备方法，包括以下步骤：(1)利用铝镁水滑石对纳米二氧化硅进行表面处理，得到水滑石包覆的纳米二氧化硅；(2)将水滑石包覆的纳米二氧化硅的分散液与硅烷偶联剂进行反应得硅烷偶联剂接枝的水滑石包覆纳米二氧化硅；(3)将硅烷偶联剂接枝的水滑石包覆纳米二氧化硅的分散液与季铵化壳聚糖溶液和聚乙烯醇溶液在交联剂的存在下混合得到铸膜液，再将所述铸膜液进行溶液浇铸得到复合碱性聚电解质膜。本发明极大的提高了复合膜的拉伸强度和碱性稳定性；通过添加硅烷偶联剂接枝的水滑石包覆二氧化硅，在复合膜中形成了新的离子传输通道，提升了膜的离子电导率；有望在碱性聚电解质燃料电池领域有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种复合碱性聚电解质膜及其制备方法和应用。

背景技术

随着人们对清洁能源的需求逐渐增长，燃料电池引起了越来越多的关注。尤其是碱性聚电解质膜燃料电池，由于在碱性环境中运行，其反应动力学更快，无需使用贵金属催化剂从而降低了生产成本，因此而成为未来最有前景的车用动力电源和便携式电源之一。但是，作为碱性聚电解质膜燃料电池的核心部件之一，碱性聚电解质膜不足的离子电导率和化学稳定性阻碍了碱性聚电解质膜燃料电池的发展，为解决以上问题，一些研究集中在对碱性聚电解质膜的聚合物基体进行分子结构设计，常用聚合物有聚砜、聚苯醚等，但这些芳族聚合物的阳离子化工艺复杂，特别是制备过程中需使用易致癌试剂，不适宜大规模生产。

壳聚糖是一种天然碱性聚电解质，其阳离子化制备工艺简单、OH^-电导率高，近年来已成为聚电解质研究领域中的焦点，并已在质子交换膜燃料电池中得到了广泛应用。季铵化是使壳聚糖获得OH^-传导能力的主要途径之一，然而提高季铵化度虽能提高壳聚糖的电导率，但同时会使壳聚糖强烈吸水溶胀而降低其机械强度，构建互穿网络能提高壳聚糖膜的机械强度但同时OH^-电导率也相应降低。有机-无机复合是提高膜综合性能的简单有效途径，常用的无机物有SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、ZrO₂、蒙脱土、石墨烯、碳纳米管、水滑石。在这些无机物里，SiO₂由于其优异的物理和化学性能而被广泛使用，一般无机纳米材料由于具有大的比表面能极易在聚合物基体中团聚，因此一般需要将无机物表面进行功能化处理，在增加其与聚合物基体的相容性的同时提升无机材料的离子交换容量，从而提升复合膜的综合性能。Gaohong He 【Journal of Solid State Chemistry,2017,246:324-328】等将咪唑功能化二氧化硅加入咪唑聚砜基体中，有效的提升了聚砜基体的离子电导率，然而复合膜的碱性稳定性并未得到提升。水滑石是一种由层间客体阴离子与带正电荷的主体氢氧化物层板有序组装形成的层状化合物，其离子电导率可达10^-3 S/cm，由于其在碱性环境中制备，因此水滑石具有优异的碱性稳定性。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种性能好的复合碱性聚电解质膜及其制备方法和应用。

本发明的一种复合碱性聚电解质膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用铝镁水滑石对纳米二氧化硅进行表面处理，得到水滑石包覆的纳米二氧化硅；

(2)将水滑石包覆的纳米二氧化硅的分散液与硅烷偶联剂进行反应得硅烷偶联剂接枝的水滑石包覆纳米二氧化硅；

(3)将硅烷偶联剂接枝的水滑石包覆纳米二氧化硅的分散液与季铵化壳聚糖溶液和聚乙烯醇溶液在交联剂的存在下混合得到铸膜液；

(4)铸膜液经溶液浇铸、干燥、冷却、揭膜和离子交换得复合碱性聚电解质膜。