[发明专利]一种氢传感器用壳聚糖质子交换膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于氢传感器领域，特别涉及一种氢传感器用壳聚糖质子交换膜的制备方法。

背景技术

在传统能源日益耗尽和环境问题突出的今天，清洁可再生的氢能源被广泛应用于工业生产和日常生活。然而，氢气泄漏和由氢引起的材料失效产生的安全问题则必须考虑。

固体电解质氢传感器(solid electrolyte hydrogen sensor)是一类以质子交换膜为电解质的便携式在线检测氢的电化学传感器。作为传感器的核心部件，质子传导载体质子交换膜必须具有优越的热稳定性和质子导电性。目前用于氢传感器领域的质子交换膜，是美国杜邦公司的Nafion系列质子交换膜，该质子交换膜的生产过程复杂，价格昂贵，选择透过性较差，高温和低湿度条件下工作性能差，需利用水作为介质来传导质子。

壳聚糖[(1，4)-2氨基-2-脱氧-B-D-葡聚糖]，是甲壳素脱乙酰基的产物。它不溶于水，易溶于弱酸(乙酸)；具有良好的成膜性、保湿性等特点。壳聚糖分子上的环状结构保证了壳聚糖膜的热/化学稳定性，以及足够的力学性能。壳聚糖分子链上具有众多的羟基和氨基，易于对其进行化学改性；同时羟基和氨基存在使壳聚糖膜具有制备成高性能质子膜的潜力。目前对壳聚糖进行酸化处理制备质子交换膜在燃料电池领域有所研究，而对用于氢传感器壳聚糖高性能质子交换膜的制备还未见报道。

发明内容

本发明的目的是提出一种采用壳聚糖作为氢传感器用质子交换膜的制备方法。本发明将壳聚糖溶于乙酸溶液，采用浇铸制膜工艺制备壳聚糖膜，通过掺杂乙酸铵在壳聚糖化合物中引入氨基官能团实现质子的传导的目的。本发明的壳聚糖质子交换膜材料来源广泛，加工工艺简单，生产成本低廉，对环境友好，质子选择透过性好。

本发明的制备步骤如下：

(1)常温常压下，在浓度为1％～10％(V/V)的乙酸溶液中加入壳聚糖粉末， 每100ml乙酸溶液加入0.5～2g壳聚糖，充分搅拌制成壳聚糖乙酸溶液；

(2)向上述搅拌均匀的壳聚糖乙酸溶液添加质量百分数为10％～50％的乙酸铵，继续搅拌12～24小时至溶液均匀；

(3)采用浇铸法制膜工艺，将搅拌好的溶液移入聚四氟乙烯容器，室温下自然蒸发形成乙酸铵/壳聚糖膜，移入干燥器进一步干燥。

所述壳聚糖粉末是分子量为4～6万，脱乙酰度为80～95％的壳聚糖。

其浇注在聚四氟乙烯容器中的壳聚糖膜厚度为120～370μm。壳聚糖质子交换膜厚度取决于采用浇铸制膜工艺移入聚四氟乙烯容器中溶液的体积量。

本发明质子交换膜制备方法的优点在于：(1)壳聚糖是虾壳、蟹壳等水产工业产生的固体废弃物甲壳素经脱乙酰基的产物，将其加工制作成氢传感器的质子交换膜可以节约资源，变废为宝，充分利用自然资源的手段，同时使生产成本得以降低；(2)作为质子交换膜的制备工艺简单，易实现产业化批量生产；(3)壳聚糖质子交换膜制备过程中，不涉及有害的物质的产生，对环境友好；(4)壳聚糖质子交换膜作为生物材料易降解，是一种很好的环保材料。(5)乙酸铵/壳聚糖质子传导性能优异。

附图说明

图1是乙酸铵含量40wt％的壳聚糖的质子交换膜在25℃～60℃条件下的质子传导率曲线图。

图2是乙酸铵含量10％～50wt％的壳聚糖质子交换膜25℃条件下的质子传导率曲线。

具体实施方式

实施例1 制40wt％乙酸铵/壳聚糖质子交换膜

常温常压下，将分子量为5万，脱乙酰度为90％的1g壳聚糖粉末放入浓度为1％(V/V)的100ml乙酸溶液充分搅拌，再将40wt％乙酸铵添加入上述搅拌均匀的壳聚糖乙酸溶液，继续搅拌24小时至均匀。采用浇铸制膜工艺制膜，室温下自然蒸发成膜，移入干燥器进一步干燥，制的膜厚度为140μm。

切取面积1cm²壳聚糖质子交换膜，采用Schlumberger1255频谱响应分析仪进行阻抗测试，频率范围1Hz～1×10⁶Hz，电压幅值为±5mV。在30℃的质子传导率是3.22×10^-4，在40℃的质子传导率4.64×10^-4，在50℃的质子传导率是9.13×10^-4，在60℃的质子传导率是1.24×10^-3。40wt％乙酸铵/壳聚糖质子交换膜在温度25℃～60℃的质 子传导率曲线如图1所示。

实施例2 制10wt％乙酸铵/壳聚糖质子交换膜