[发明专利]纳米氧化钇改性磺化聚苯硫醚质子交换膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磺化聚苯硫醚质子交换膜及其制备方法，特别是一种纳米氧化钇改性磺化聚苯硫醚质子交换膜及其制备方法。

背景技术

质子交换膜(PEM)作为目前能源领域研究和开发的热点直接甲醇燃料电池(DMFC)的核心部分，其材料必须具有良好的质子传导性、适宜的甲醇透过率以及良好的抗水溶胀性即质子传导率至少应达到10^-2 S/cm，甲醇渗透系数低于10^-6 cm²/s。使质子交换膜在DMFC中具有较长使用寿命。

目前应用最广泛的是以美国DuPont公司商业化的Nafion膜为代表的全氟磺酸膜，长期使用这种氟化物会严重污染环境，在使用温度超过80 °C时，质子传导率明显下降，限制了全氟磺酸膜在燃料电池中的进一步应用。为此，需进一步制备综合性能优异的质子交换膜。

磺化聚苯硫醚(SPPS)材料因具有高机械强度、优异的热稳定性及化学稳定性成为直接甲醇燃料电池用质子交换膜的重点研究材料。用浓硫酸对聚苯硫醚磺化，将磺酸基团引入到聚苯硫醚的主链上，由于磺酸基亲水相与聚合物骨架上苯环、碳硫键等疏水相的存在，可使得聚苯硫醚材料具有一定的质子传导率，并且聚苯硫醚制备成本较低、耐热稳定性优异能满足燃料电池对质子交换膜材料的要求。但是，这种材料的磺化度(DS)会直接影响质子交换膜的性能，因此要选择合适的磺化度来进行掺杂制膜。在磺化聚苯硫醚质子交换膜的方案设计上，通常需要对磺化聚苯硫醚磺化度及改性的方法进行综合考虑，得到最佳的质子交换膜。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种纳米氧化钇(Y₂O₃)改性磺化聚苯硫醚质子交换膜。

本发明的目的之二在于提供该质子交换膜的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种纳米氧化钇改性磺化聚苯硫醚质子交换膜，其特征在于该该交换膜的组成及其质量百分比为：

磺化聚苯硫醚SPPS                     85.5%~99.9%；

纳米Y₂O₃粉末                       0.1%～14.5%。

所述的磺化聚苯硫醚SPPS的结构式为：

；

所述的Y₂O₃粉末颗粒粒径为60~90 nm。

上述的磺化聚苯硫醚的磺化度为57%～80%。

一种制备上述的纳米氧化钇改性磺化聚苯硫醚质子交换膜的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：

a. 将聚苯硫醚溶解在制膜溶剂中，配制成质量百分比浓度为10%～50%的制膜液；

b. 在步骤a所得的制膜液中，加入纳米Y₂O₃粉末，在20 °C～80 °C下，搅拌使纳米Y₂O₃粉末在制膜液中分散均匀，得到混合制膜液；

c. 将步骤b所得混合制膜液制成膜后在20 °C～90 °C下挥发溶剂，得到湿膜；

d. 将步骤c所得湿膜在50 °C～180 °C下恒温干燥1 h~24 h；或者先在40 °C～110 °C下干燥2 h~24 h，再升温至120 °C～180 °C干燥1 h~7 h，得到纳米Y₂O₃改性中高磺化度磺化聚苯硫醚质子交换膜。

上述的改性中高磺化度磺化聚苯硫醚质子交换膜的制备方法，其特征在于所用的制膜溶剂为：N,N-二甲基甲酰胺DMF或N,N-二甲基乙酰胺DMAC。

本发明方法制备成本低廉，所制备得到的质子交换膜电导率高，阻醇性能良好，在40 °C～110 °C下的电导率为8.1×10^-3～1.9×10^-2 S/cm。阻醇系数达到1.0×10^-8～6.5×10^-7 cm²/s。吸水率为12.49%~60.12%。

具体实施方式

实施例一：

1.SPPS制膜液的制备：采用DMF作为制膜液，将研碎的磺化度为65.2%的SPPS材料溶解在制膜溶剂中，配制成SPPS质量百分比为10%的制膜液。