[发明专利]一种调控界面微结构制备异质复合质子交换膜的方法

说明书

本发明涉及一种调控界面微结构制备异质复合质子交换膜的方法，通过模板转移制备单侧微图案化的基体；然后，采用模板去除剂除去模板，即得到微图案可调控的的基体。第二步，在具有微图案侧刮涂高质子传导率的离聚物，干燥后得到界面结合力优异的异质异质结构结构复合质子交换膜。本发明制备的异质结构复合PEM在全水合测试状态下的质子传导率有明显的上升，80℃时其质子传导率相比于纯基体提升了近1.1倍，并且制备方法简单，适用面广，有利于大规模的商业化生产。

技术领域

本发明属于质子交换膜领域，涉及一种调控界面微结构制备异质复合质子交换膜的方法，采用表面微图案化处理的磺化聚砜膜为基体，在其表面刮涂磺化POSS离聚物或者Nafion溶液，从而得到制备具有良好界面相容性的异质结构复合质子交换膜。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)通常由双极板、气体扩散层、催化剂层以及质子交换膜(PEM)构成。其中，PEM是PEMFC的核心组件之一，需要有较高的化学和热稳定性，良好的机械性能，较高的质子传导率和较低的燃料渗透率等以满足应用要求。

燃料电池的阳极一般选择通入加湿的H₂作为燃料，在催化剂的作用下氧化失去电子得到的H⁺经PEM传输至阴极，与氧气和外电路传输至阴极的电子发生O₂的还原，生成水。由此可以看出，燃料电池的阳极需要水从而保证PEM中质子的传输，而阴极则需要及时排出产生的水，因此，PEM应设计成阳极侧亲水而阴极侧疏水的异质结构膜；但目前商业化的PEM仍为均相膜。

目前，以Nafion为代表的全氟磺酸PEM在PEMFC中广泛应用，但全氟磺酸膜的价格昂贵且燃料渗漏率高。近年来为了解决上述问题，研究者研究了具有较高玻璃化转变温度(T_g)和化学稳定性的碳氢基聚合物，比如：聚砜(PSF)，聚苯并咪唑(PBI)，聚酰亚胺(PI)或者聚醚醚酮(PEEK)等。但这些聚合物必须进行磺化或者磷酸掺杂才能作为PEM，由于功能基团的引入，其机械性能与质子传导率存在Trade-off效应。因此，为了平衡机械性能与质子传导率的关系，研究者制备了各种基于碳氢基的杂化PEM。

复合法是一种简便快捷改性商业化膜制备多层复合PEM的方法。这种方法的优势在于可以制备具有异质异质结构结构的不对称膜，在盐差电池、钒流体电池以及质子交换膜燃料电池中有巨大的应用前景。而这种存在弱界面相互作用力的复合，存在界面阻抗大、易脱落的问题，影响PEMFC在高功率密度的输出和长期循环寿命。基于此，Hee-Tak Kim等人(Adv.Mater.2017,29,1603056)通过模板去除法制备了三维互锁的全氟磺酸/聚砜/全氟磺酸复合PEM，经测试发现制备的复合膜具有低的阻抗及良好的循环稳定性。但如何大规模制备具有良好界面相容性的异质结构复合PEM仍是一个待解决的问题。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种调控界面微结构制备异质复合质子交换膜的方法，解决质子交换膜阴阳极因反应特性的不同而造成PEM质子传导率下降和溶胀率升高的问题。

技术方案

一种调控界面微结构制备异质复合质子交换膜的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、单层蛋白石结构光子晶体的制备：在两块聚二甲基硅氧烷PDMS之间放置干燥微球，使两块聚二甲基硅氧烷PDMS产生摩擦，在静电作用力的作用诱导下微球在位于底部的聚二甲基硅氧烷PDMS基底上自组装形成单层微球阵列为微图案；

步骤2、单侧图案化质子交换膜基体的制备：在微图案面上浇筑聚碳氢基离聚物的溶液，置于真空干燥箱中，在温度30℃～60℃条件下，放置60h～12h挥发溶剂至干燥，将模板中嵌微图案一侧放置在模板去除剂中除去模板，得到微图案结构为反光子晶体结构或双连续的微结构的单侧具有微图案的基体；

所述聚碳氢基离聚物的溶液的浓度为0.1～0.5g/ml；