[发明专利]细菌纤维素-Nafion夹心质子交换膜及制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于质子交换膜及其制备和应用领域，特别涉及一种细菌纤维素-Nafion夹心质子交换膜及制备和应用。

背景技术

直接甲醇燃料电池（DMFC）是近年来新开发的一类燃料电池。它以甲醇水溶液作为燃料，甲醇在阳极催化剂的作用下氧化生成CO₂，同时释放出电子和质子，两者分别经外电路及膜传导至阴极。在阴极被O₂电化学还原，消耗从外电路传递过来的电子，并与质子结合生成水。电子从阳极经过负载到阴极的传递，实现化学能到电能的转化。DMFC具有甲醇燃料来源丰富，价格便宜，理论比能量密度高，便于携带与储存，结构简单，体积小，质量轻，方便灵活等优点，特别适合应用于便携式电源，例如笔记本电脑、手机、摄像机，偏远地区、海岛荒漠等小型独立电源，以及军事领域中使用的特殊电源等。目前DMFC中所采用的质子交换膜仍然是全氟磺酸膜，如Dupond公司的系列膜。然而，高昂的成本（约US$3000kg^-1）、合成的困难性、制造过程中产生对环境有毒有害的中间产物，以及当用于DMFC时存在的高甲醇渗透率和含Ru催化剂的损耗极大地制约了它的应用。因此，开发新型低成本、高质子传导率、低甲醇渗透率、环境友好的质子交换膜成为了DMFC研究的一个热点和重要方向。

细菌纤维素（Bacterial Cellulose，BC）是一类由微生物发酵形成的纤维素，主要作为一种生物材料应用于食品、医药、造纸、音响以及纺织工业等方面。然而，细菌纤维素膜具有特殊的三维纳米网络结构、超细丝带以及热稳定性好和机械强度高、低气体渗透性、高吸水性等特点，使得细菌纤维素膜在质子交换膜燃料电池上具有美好的应用前景。美国学者对其进行了初步探讨，研究结果表明细菌纤维素膜在燃料电池方面应用具有独特优势。然而细菌纤维素膜的质子传导率较低，需要进行改性提高其质子传导率。同时，已有研究表明细菌纤维素膜可以用于渗透汽化分离醇类和水的混合物，证明其具有阻醇性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种细菌纤维素-Nafion夹心质子交换膜及制备和应用，本发明的细菌纤维素-Nafion夹心复合膜具有较高的质子传导率、较好的热稳定性、较低甲醇渗透率，是一种新型低成本的夹心结构复合质子交换膜，特别适合用于甲醇、乙醇等为燃料的液体燃料电池，该制备工艺简单易行，成本低廉，环境污染小。

本发明的一种细菌纤维素-Nafion夹心质子交换膜，该夹心质子交换膜为BC-Nafion-BC结构或Nafion-BC-Nafion结构。

本发明的一种细菌纤维素-Nafion夹心质子交换膜的制备方法，包括：

（1）将细菌纤维素膜用去离子水冲洗，除去残留培养基等杂质，然后于70-100℃下置于质量浓度0.1-5%的碱性溶液中处理0.5-4h，直至细菌纤维素膜变成白色半透明，再用质量浓度0.1-3%的酸性溶液和去离子水清洗（或单独用去离子水清洗），然后于去离子水中煮沸0.5-2h，再用去离子水冲洗至细菌纤维素膜pH值为中性为止，得到凝胶状的细菌纤维素膜；同时，取上述煮沸的浸出液测定其于280nm的吸收值，若吸收值不低于0.05，则重复煮沸和冲洗直至煮沸浸出液在280nm无显著吸收为止；将纯化处理好的细菌纤维素膜置于去离子水中，封口4°C保存；

（2）将Nafion膜依次用质量浓度3%的双氧水、去离子水、1mol/L的稀硫酸和去离子水煮沸处理1h，得到处理过的Nafion膜，置于去离子水中保存；

（3）将上述处理过的Nafion膜裁剪成比凝胶状的细菌纤维素膜稍小的形状，然后在Teflon涂层的容器上依次叠放凝胶状的细菌纤维素膜、处理过的Nafion膜和凝胶状的细菌纤维素膜；叠放时，应注意Nafion膜与上下两侧的凝胶状的细菌纤维素膜紧密贴合，防止气泡的产生；然后干燥成膜，即得到BC-Nafion-BC结构的细菌纤维素-Nafion夹心复合膜；

或者将上述处理过的Nafion膜裁剪成比凝胶状的细菌纤维素膜稍小的形状，然后在Teflon涂层的容器上依次叠放处理过的Nafion膜、凝胶状的细菌纤维素膜和处理过的Nafion膜；叠放时，应注意Nafion膜与上下两侧的凝胶状的细菌纤维素膜紧密贴合，防止气泡的产生；然后干燥成膜，即得到Nafion-BC-Nafion结构的细菌纤维素-Nafion夹心复合膜；