[发明专利]一种利用旋涂技术基于磺化氧化石墨烯制备非水质子交换膜的方法

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种利用旋涂技术基于磺化氧化石墨烯制备非水质子交换膜的方法。首先配制聚氯乙烯(PVC)溶液，再制备氧化石墨烯(SGO)溶液，利用匀胶机将PVC溶液均匀涂覆在玻璃板表面，再滴加SGO溶液，重复旋涂步骤5次，烘干后制备(PVC/SGO)₅复合膜。在质量分数为85％的PA中浸泡24～48小时，制备(PVC/SGO)₅/PA复合膜。本发明利用旋涂技术，基于SGO的优良导电性能和旋涂技术制备的膜材料厚度可控等优点制备具有高机械性能以及良好质子传导率等优点的非水质子交换膜，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种利用旋涂技术基于磺化氧化石墨烯制备非水质子交换膜的方法。

背景技术

质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)作为燃料电池的核心部件，不仅担负着传导质子的作用，更为电化学反应提供反应的场所，其性质决定着质子交换膜燃料电池的性能。因此，研究者们一直致力于开发制备具有高质子传导率，高热分解温度，良好的机械强度以及低燃料渗透率等优点的新型质子交换膜。目前，质子交换膜的制备方法主要有以下几种：溶液浇筑法(Solution Casting)，工艺简单易操作，但制备的膜材料组分难以实现有序分布；层层自组装技术(Layer by Layer self-assembly，LBL)，制备的膜具有组分分布均匀等优点，但膜制备的周期相对较长。而旋涂法(Spin Coating)作为一种制备精细薄膜的技术，具有操作简单，膜组分分布均匀以及易于大规模生产等优点，目前已成为制备功能薄膜的常用方法。利用旋涂技术制备膜的原理为：依靠基底旋转时产生的离心力及重力作用，将溶液均匀地涂覆于基底表面，进而形成厚度可控的膜材料。其主要过程包括原料溶解，旋转涂覆以及溶剂挥发成膜三个步骤。另外，通过控制旋转时间，转速，溶液用量以及溶液的浓度等技术参数能够控制成膜的厚度。使用旋涂技术可制备结构均匀有序的质子交换膜，并且操作过程对仪器设备的依赖程度较低，主要设备仅需匀胶机。

石墨烯自发现以来，其特殊的片层结构使其具有优良的性能，逐渐成为各领域的研究热点。而石墨烯氧化后，因其含氧官能团增多而使性质较石墨烯更为活泼，从而获得较高的比表面能、良好的亲水性和质子传导能力。氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)再进行磺化，将磺酸基团引入到氧化石墨烯的端基上，得到磺化的氧化石墨烯(SulfonatedGraphene Oxide，SGO)，再将其与聚合物掺杂可以获得具有高质子传导率以及良好机械性能的质子交换膜。据目前文献报道，Cheng Tao等报道将聚芳醚腈(Polyaryl EtherNitrile，PEN)和磺化的氧化石墨烯(SGO)浇筑成膜，制备性能优异的PEN/SGO质子交换膜。当膜中SGO的质量分数为1％时，在80℃下的电导率为2.6×10^-1S/cm。但是，利用旋涂技术将聚氯乙烯(Polyvinyl chloride，PVC)与磺化的氧化石墨烯(SGO)复合制备具有有序结构的质子交换膜的研究，目前尚未见其报道。我们认为利用旋涂技术基于磺化氧化石墨烯制备具有良好性能的质子交换膜具有理论可行性以及较好的应用背景。

发明内容

针对现有技术存在的空白，本发明的目的在于提供一种利用旋涂技术基于磺化氧化石墨烯制备非水质子交换膜的方法，利用旋涂技术操作简单，适宜大规模生产以及制备的膜具有组分分布均匀等优点，以期待制备出具有高质子电导率以及良好机械性能的非水质子交换膜。

本发明的技术方案是：

一种利用旋涂技术基于磺化氧化石墨烯制备非水质子交换膜的方法，按照以下步骤进行：

(1)将1.6～6.0g聚氯乙烯(PVC)加入到20～40mL的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，配制质量分数为8～15％的PVC溶液；

(2)将0.1～0.6g磺化氧化石墨烯(SGO)加入到20～30mL的DMF中，配制成质量分数为0.5～2％的SGO溶液；