[发明专利]一种燃料电池用串珠结构MOF/芳纶纳米纤维改性Nafion质子交换膜的制备方法

说明书

本发明提供一种串珠结构MOF/芳纶纳米纤维改性Nafion质子交换膜及制备方法。该方法以芳纶纳米纤维为载体，将其浸润在ZIF‑67前驱体溶液中，可实现ZIF‑67在纳米纤维上的均匀成核和有序生长，制得串珠结构ZIF‑67/芳纶纳米纤维。将该材料与Nafion溶液复合后用作燃料电池质子交换膜，从而优化MOFs复合纳米电纺纤维/聚合物基体界面结构以及质了传递通道结构和调控复合膜的物理及化学微环境，协同构筑质子传递性能，阻醇性能，机械性能同步提升的高性能复合质子交换膜。

技术领域

本发明涉及静电纺纳米纤维、MOF和质子交换膜技术领域，特别涉及一种串球结构的MOF/纳米纤维改性Nafion质子交换膜的制备方法。

背景技术

随着全球经济的不断发展以及人口基数的不断壮大与能源需求的持续快速增长，能源危机与环境污染是制约人类社会生存和发展的瓶颈，已成为社会可持续发展面临的最大挑战。鉴于以上问题的严峻性，优化能源结构，变革能源的利用技术，实现能源的“开源”与“节流”势在必行。燃料电池作为集“开源”“节流”两种功能于一体的优质新能源技术，近些年来受到了广泛的关注。

质子交换膜(PEMs)是直接甲醇燃料电池(DMFCs)的关键部件。质子交换膜的作用是传导质子，并将燃料和氧化剂分离于电池的阳极和阴极之间。质子电导率和燃料渗透性是燃料电池应用所需的PEM的关键特性，所以引导PEM的的研究趋势在向增加质子电导率并降低燃料渗透的方向不断发展。全氟磺酸膜因其良好的化学和物理稳定性以及在高湿度条件下的高导电性，在PEM中得到了广泛的应用。但全氟磺化膜存在生产成本高、热稳定性差、操作温度相对较低、甲醇渗透率高等缺点，限制了其在PEMFCs尤其是直接甲醇燃料电池(DMFCs)中的应用。为了克服这些问题，许多研究者对常用的Nafion膜进行了许多改进。因此，开发用于PEM的改性Nafion膜对燃料电池的开发具有重要意义。

目前，高性能的Nafion复合改性膜的研究主要集中在运用无机物和有机物与Nafion膜的复合上。在各种物质中，纳米纤维由于其高的比表面积，纳米交联的孔结构和高孔隙率，在构建高连续质子传递通道及提升膜机械强度方面具备较好的优势，逐渐应用于直接甲醇燃料电池。但其仍存在一些问题：纳米纤维填充剂与基体之间的较差的界面相容性以及传递途径和质子传导基团的缺乏限制了纳米纤维复合质子交换膜性能的进一步提高。所以，在纳米纤维的基础上可以进行不断的物理和化学改性。例如，运用静电纺技术制备特殊物理结构的纳米纤维以增加质子的传递通道或制备有特殊活性基团(-NH，-OH，-NH₂与-SO₃H等)的纳米纤维以此来提供更多的水分子或活性载体以便获得更有效快速的传递质子。

金属有机骨架(MOFs)作为一种新型多孔材料，具有超大的比表面，丰富的孔道结构和可控的化学结构，为进一步优化质子传递通道结构和提升燃料阻隔性能提供可能。

发明内容

本发明致力于制备串珠结构MOF/纳米纤维复合膜，将其与Nafion复合制备高性能质子交换膜。该方法以芳纶纳米纤维膜为载体，将其浸润在ZIF-67前驱体溶液中，可实现ZIF-67在纳米纤维膜上的均匀成核和有序生长。将该材料与Nafion膜溶液复合后用作燃料电池质子交换膜，从而优化MOFs复合纳米电纺纤维/聚合物基体界面结构以及质子传递通道结构和调控复合膜的物理及化学微环境，协同构筑质子传递性能、阻醇性能与机械性能同步提升的高性能复合质子交换膜，且制备工艺简单，工业化容易。

所述的燃料电池用串珠结构芳纶纳米纤维/MOF改性Nafion质子交换膜的制备方法，其特征包括如下步骤：

(1)芳纶纳米纤维的制备

将芳纶原液，二甲基乙酰胺溶剂和四丁基氯化铵按照一定的比例配制并搅拌均匀，并通过静电纺丝技术制备厚度为80μm的芳纶纳米纤维复合膜；所述的芳纶乳液的浓度为15wt％-30wt％；所述的芳纶乳液、二甲基乙酰胺溶剂的体积之比为4∶1-6∶1。