[发明专利]一种离子液体/木质素磺酸钠改性聚酰亚胺质子交换复合膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及质子膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种离子液体/木质素磺酸钠改性聚酰亚胺质子交换复合膜及其制备方法和应用。本发明通过在保护气氛下，利用二胺和二酐发生缩聚反应，制备得到聚酰亚胺溶液；将木质素磺酸钠、极性溶剂和离子液体混合，使离子液体接枝在木质素磺酸钠上，得到离子液体改性木质素磺酸钠；将聚酰亚胺溶液与离子液体改性木质素磺酸钠混合，反应，得到改性聚酰亚胺溶液；使改性聚酰亚胺溶液固化成膜，得到离子液体/木质素磺酸钠改性聚酰亚胺质子交换复合膜。本发明的质子交换复合膜能够应用于燃料电池中，具有优异的质子传导速率、力学性能和稳定性。

技术领域

本发明涉及质子膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种离子液体/木质素磺酸钠改性聚酰亚胺质子交换复合膜及其制备方法和应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)被认为是最有前途的绿色清洁能源的替代能源之一，可用于便携式设备、运输和小型固定发电厂。然而，在这项技术实现商业可行性之前，仍存在许多挑战。需要克服的主要问题是燃料电池系统的高成本、高维护成本和短生命周期。质子交换膜(PEM)作为PEMFC的关键组成部分，作为通过燃料氧化产生质子的传输介质起着至关重要的作用，从而决定了一般燃料电池的成本、使用寿命和实用性。目前市场上使用的全氟磺酸质子交换膜在较低温度下具有良好的质子传导性，但是也存在很多不足，比如尺寸稳定性差、机械性能不高、化学稳定性差等问题。

目前已经提出一些方法来解决这些问题。如公开号为CN106188433A的中国专利采用改性木质素磺酸盐和磺化聚芳硫醚砜聚合物来混合制备质子交换膜，其制备过程简单，反应条件温和，原料来源广、成本低，制备的质子交换膜在成本降低的情况下，同时具有高质子电导率。然而，这种改性薄膜也未提及对薄膜机械性能的改进，并且对其质子电导率增强性也不太高，仍未能彻底解决上述问题。公开号为CN110305347A的中国专利公开了改性壳聚糖基质子交换膜及其制备方法，其采用壳聚糖和COF材料作为质子交换膜的原料，将壳聚糖和COF直接混合制成复合膜(即改性壳聚糖基质子交换膜)，但是COF容易团聚，导致其分散不均匀，直接掺入高分子基质中不易形成连续的质子传导通道，不利于质子传导作用。公开号为CN114614059A的中国专利提供了一种改性纳米纤维复合质子交换膜及其制备方法和应用，通过改性纳米纤维层与聚合物层构建长程有序的酸碱对，来降低质子传输位垒，从而提高质子交换膜的尺寸稳定性和质子电导率，但是却没有考虑纳米纤维会占据部分磺酸根的活性位点，进而造成质子交换膜电导率的降低的影响。

上述技术只是简单将基体和纤维树脂混合起来，因为薄膜和纤维与树脂的性质有很大差别，甚至相互排斥，所以很容易在成膜分子和增强物之间形成间隙，使得薄膜具有大量的微孔，但是在燃料电池中，大量微孔意味着能量的损失和电池过热而损害，无法满足燃料电池的隔膜需要尺寸稳定、微观下比较平整、高电导率和高机械强度的要求。目前还未出现离子液体接枝木质素对质子交换膜的性能影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种离子液体/木质素磺酸钠改性聚酰亚胺质子交换复合膜及其制备方法和应用，以解决上述现有技术中存在的问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种离子液体/木质素磺酸钠改性聚酰亚胺质子交换复合膜的制备方法，包含以下步骤：

(1)在保护气氛下，先将部分极性溶剂和二胺混合，再加入二酐和另一部分极性溶剂，反应，得到聚酰亚胺酸；再向聚酰亚胺酸中加入共沸剂混合，进行三项共沸，得到聚酰亚胺溶液；

(2)将木质素磺酸钠、极性溶剂和离子液体混合，使离子液体接枝在木质素磺酸钠上，得到离子液体改性木质素磺酸钠；

(3)将步骤(1)所得的聚酰亚胺溶液与步骤(2)所得的离子液体改性木质素磺酸钠混合，反应，得到改性聚酰亚胺溶液；

(4)将步骤(3)所得的改性聚酰亚胺溶液涂到基板上，阶段升温以使固化成膜，使膜脱落，烘干，得到离子液体/木质素磺酸钠改性聚酰亚胺质子交换复合膜。