[发明专利]功能化氧化石墨烯/高支化聚芳醚质子交换膜及制备方法

说明书

本发明公开功能化氧化石墨烯/高支化聚芳醚质子交换膜及其制备方法，包括步骤：首先制备功能化氧化石墨烯；然后对制备好的高支化磺化聚芳醚掺杂功能化氧化石墨烯，制得功能化氧化石墨烯/高支化磺化聚芳醚质子交换膜。本发明所述功能化氧化石墨烯作为无机纳米填料添加到高支化聚芳醚中，不仅可以提高质子传导率和保持水分能力，而且可以增加链间缠绕作用，进而改善机械性能。同时也提高了无机粒子的分散性，增强了相容性，而且功能化氧化石墨烯具有良好的耐化学性，可以有效改善质子交换膜的氧化稳定性。另外，该方法便于操作，易于实现。

技术领域

本发明涉及质子交换膜材料领域，尤其涉及一种功能化氧化石墨烯/高支化聚芳醚质子交换膜及制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种高效、低污染的能源技术，其核心部件质子交换膜一直是人们研究的热点。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的关键材料之一，具有传导质子和将阴阳两极分开的双重功能，其性能直接影响到燃料电池的整体性能。目前国际上商业化的质子交换膜是全氟磺酸型质子交换膜(如Nafion)。这类膜材料具有传导质子性能好、稳定性高、寿命长等优点，但同时存在价格昂贵、高温易失水、甲醇渗透性高等缺点。因此，有人通过改进全氟单体以改善商业膜的弊端，也有人利用磺化芳香族聚合物来代替全氟型的膜。

磺化芳香族聚合物凭借其优异的热稳定性和导电性，低燃料渗透，成本低等优势，被认为是最有前途的质子交换膜材料之一。但是这些性能依赖于磺化度，即聚合物中带有磺化官能团的数量。通常高磺化度聚合物，相应导电性较高，但是由于薄膜溶解或者溶胀，其尺寸稳定性在燃料电池的应用中无法保障。据报道，无机有机杂化薄膜是一种可行的办法，可以改善高磺化度情况下的缺点，聚合物作为基体添加无机粒子，可以提高热稳定性、尺寸稳定性、机械强度、质子传导和限制燃料渗漏。近来，氧化石墨烯受到了广泛的关注，由于其独特的性能，作为一种无机纳米填料添加至质子交换膜中。但是片层氧化石墨烯缺少传导质子的官能团，很难大幅度改善质子交换膜的性能。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种功能化氧化石墨烯/高支化聚芳醚质子交换膜及制备方法，旨在解决氧化石墨烯缺少传导质子的官能团，其添加至质子交换膜中很难大幅度改善质子交换膜性能的问题。

本发明的技术方案如下：

一种功能化氧化石墨烯/高支化聚芳醚质子交换膜的制备方法，其中，包括：

步骤A、首先制备功能化氧化石墨烯；

步骤B、然后对制备好的高支化磺化聚芳醚掺杂功能化氧化石墨烯，制得功能化氧化石墨烯/高支化聚芳醚质子交换膜。

所述的功能化氧化石墨烯/高支化聚芳醚质子交换膜的制备方法，其中，所述步骤A具体包括：

步骤A1、在惰性气体保护下，将氧化石墨烯加入二甲基甲酰胺超声震动7~9h，将1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐、4-二甲氨基吡啶和三羟甲基氨基甲烷加入上述超声震动后的悬浮液中，在60℃~80℃并搅拌的条件下反应一周，将反应后得到的生成物进行提纯处理，得到提纯的生成物；

步骤A2、在惰性气体保护下，将上述生成物加入到二甲亚砜超声震动7~9h，然后在常温条件下加入氢氧化钠，同时加入1,4-丁磺酸内酯，在90℃~110℃下反应一周，将反应后得到的功能化氧化石墨烯进行提纯处理，得到提纯的功能化氧化石墨烯。

所述的功能化氧化石墨烯/高支化聚芳醚质子交换膜的制备方法，其中，所述步骤A1中，生成物提纯处理的方法包括步骤：将反应后得到的生成物用过滤膜过滤，然后用去离子水和乙醇反复冲洗，冲洗后真空干燥。

所述的功能化氧化石墨烯/高支化聚芳醚质子交换膜的制备方法，其中，所述过滤膜为聚四氟乙烯过滤膜，所述聚四氟乙烯过滤膜的孔径大小为0.45μm。