[发明专利]一种阻醇质子导电复合膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及离子导电聚合物膜技术领域，具体的说，是涉及一种石墨烯层（Graphene,G）与聚合物电解质结合的复合质子导电膜及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种直接将物质的化学能转变为电能的发电装置。相对于内燃机而言，燃料电池不受卡诺循环的限制，因此物质化学能利用效率可以达到很高的水平。相对于蓄电池而言，燃料电池是进行能量转换而非能量储存的装置，只要连续不断地补充燃料，它就能持续地发电，具有无需充电的优点。另外，燃料电池还具有高能量密度和高功率密度等特点，而且工作过程产生的污染也较内燃机和蓄电池少。

质子交换膜燃料电池是一类重要的燃料电池。现有聚合物质子导电膜用于燃料电池时存在燃料透过问题，燃料从阳极经聚合物质子导电膜到达阴极，一方面造成了浪费的燃料，另一方面由于燃料传递到阴极后，在阴极催化剂的作用下发生反应，造成阴极电位降低，使得电池输出电压降低，最终降低了电池的性能。

由于燃料和质子是经同一通道从阳极向阴极传递，所以尽管人们提出了许多改变膜内传递通道结构的方法来降低燃料的透过，但这些方法在阻碍燃料透过的同时，也阻碍了质子的透过，降低了膜的质子电导率。

基于上述原因，人们提出在聚合物质子导电膜中间夹一层薄膜的方法——在不改变膜内质子通道的情况下，利用夹层薄膜自身的孔隙来截留燃料分子并透过质子。在目前已知的含薄膜夹层的聚合物质子导电膜中，使用钯箔做夹层的聚合物质子导电膜的阻止燃料透过效果最好，但是这种情况下质子经钯箔传递的阻力很大，不利于膜的质子导电，而且由于钯属于贵金属，同时由于其制备过程使用真空离子溅射，使得该方法较复杂，成本较高，导致难以推广应用。

发明内容

本发明要解决的是聚合物质子导电膜在阻碍燃料透过的同时，也阻碍了质子的透过，从而降低了膜的质子电导率的技术问题，提供一种阻醇质子导电复合膜，该复合膜可以在不影响膜质子导电率的情况下阻止燃料的透过；并且提供了该阻醇质子导电复合膜的四种制备方法，制备过程简便，易于推广。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种阻醇质子导电复合膜，包括聚合物质子导电膜，所述聚合物质子导电膜平行复合有石墨烯层，所述石墨烯层附着于所述聚合物质子导电膜的一侧或夹于两层聚合物质子导电膜之间。

所述聚合物质子导电膜选用全氟磺酸聚合物、磺化聚芳醚酮、磺化聚砜、磺化聚醚砜、磺化杂萘联苯聚醚酮、磺化聚磷腈、磺化聚酰胺、聚苯并咪唑、季铵化聚醚砜酮或季铵化聚醚砜中的一种制成。

所述石墨烯层整体面积中大于等于95%的面积为单层石墨烯。

所述石墨烯层为化学气相沉积石墨烯层、外延生长石墨烯层、机械剥离石墨烯层或化学还原石墨烯层。

石墨烯可看做是一张原子厚度的网，石墨烯的六元环孔径大小介于质子和燃料分子之间，所以可以将石墨烯层附着于聚合物质子导电膜一侧或夹在两层聚合物质子导电膜之间，使其截留燃料分子而透过质子。

第一种阻醇质子导电复合膜的制备方法，该方法按照以下步骤进行：

（1）取铜基化学气相沉积石墨烯，铺平，在其具有石墨烯层的表面上滴加5wt%～10wt%的膜溶液，在60～120℃下挥发溶剂8-12h成聚合物质子导电膜；

（2）将步骤（1）所得到的有聚合物质子导电膜的铜基化学气相沉积石墨烯在浓度0.1～2.5M的Fe³⁺溶液中浸泡1～14天，待铜基完全刻蚀掉后，洗涤，干燥，得到石墨烯层附着于聚合物质子导电膜一侧的阻醇质子导电复合膜。

其中，所述膜溶液的溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜或四氢呋喃中的一种。

第二种阻醇质子导电复合膜的制备方法，该方法按照以下步骤进行：

（1）将聚合物质子导电膜平铺固定在旋转涂膜机的底盘上，以500rpm～3000rpm的转速旋转；

（2）取2mL～20mL浓度为1μg/mL～10μg/mL的石墨烯水分散液，以0.5mL/min～1mL/min的速度均匀喷涂到旋转的所述聚合物质子导电膜表面；

（3）干燥，得到石墨烯层附着于聚合物质子导电膜一侧的阻醇质子导电复合膜。

第三种阻醇质子导电复合膜的制备方法，该方法按照以下步骤进行：

（1）将聚合物质子导电膜平铺固定在旋转涂膜机的底盘上，以500rpm～3000rpm的转速旋转；