[发明专利]氧化石墨烯/咪唑聚苯醚复合阴离子交换膜的制备方法

说明书

氧化石墨烯/咪唑聚苯醚复合阴离子交换膜的制备方法，涉及燃料电池，首先，将离子液体修饰的氧化石墨烯分散在N,N‑二甲基甲酰胺并用超声波破碎机超声破碎，然后将离子液体修饰的氧化石墨烯与咪唑聚苯醚按质量百分比0％～2％溶解于有机溶剂，超声分散，60～80℃搅拌30～90min。将混合液倒入铸膜板，在40～80℃真空干燥，得到阴离子交换膜。制备过程中，充分利用氧化石墨烯表面的羧基与酰氯反应，从而易被离子液体修饰。所制备的复合膜具有良好的机械性能、强的耐碱性和高的离子电导率等特点。

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其是涉及氧化石墨烯/咪唑聚苯醚复合阴离子交换膜的制备方法。

背景技术

近年来，化石燃料资源的日益枯竭，人们逐渐认识到探索新型替代能源的必要性和紧迫性。燃料电池(FC)是一种能够将燃料和氧化剂含有的化学能以电化学反应的方式直接转化为电能的电化学设备。理论上燃料电池只要持续不断地补充燃料和氧化剂，就可以一直供电，从而满足应用需求。燃料电池是按照电化学方式转化物质能量，不受“卡诺循环”的限制，因此其能量转化效率很高，是普通内燃机的2～3倍。此外，燃料电池还具有电化学反应清洁、环境友好等优点。整个装置系统还具有结构简单，装配简便，运行稳定性高后期维护成本低等优势。因此燃料电池技术被认为是21世纪首选的高效、清洁的发电技术。

目前，燃料电池主要以质子交换膜(PEM)为电解质，也就是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。在PEMFC中，PEM的主要作用是提供质子传递通道和隔离燃料与氧化剂，是决定燃料电池性能的关键部件之一。但是，PEMFC需在强酸性环境下运行，昂贵的电极(酸性环境下只有铂等贵金属才可作为高效、稳定的电化学催化剂使用)、制造成本高以及较严重的燃料渗透(尤其甲醇燃料电池)等因素限制了其大规模商业化应用。

研究发现，可以使用阴离子交换膜替代质子交换膜制备在碱性环境下运行的阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)。因为碱性环境中可以使用银、钴、镍、铁等非贵金属作为催化剂，能大幅降低燃料电池的成本。同时，在碱性环境里还原反应动力学速率更快，电池可以获得更高的工作电压。此外，AEMFC在运行时OH^-离子在膜内的传递方向与燃料(氢气或甲醇)的渗透方向相反，可降低由于电渗析产生的燃料渗透。阴离子交换膜(AEM)是AEMFC的关键组成部件之一，起到传递OH^-离子和分隔燃料与氧化剂的双重功能，其性能直接影响AEMFC的电池性能和使用寿命等。实际应用中AEM必须具有较高的OH^-离子电导率(大于10mScm^-1)、良好的尺寸稳定性以及化学稳定性。AEM的化学稳定性很大程度上取决于传递OH^-离子的功能基团的性质，然而目前主要使用的季铵盐基团其耐碱性较差，降低了AEM的化学稳定性。其次，与PEM相比，现有的AEM的离子电导率普遍较低。为了提高AEM的OH^-离子电导率，最直接有效的方法就是提高膜内离子功能基团的数量，即膜的离子交换容量(IEC)。但IEC值大的AEM含水率也高，这一方面有利于OH^-离子的扩散进而提高膜的OH^-离子电导率，但另一方面却增大了膜的溶胀度，导致高分子链间的相互作用力减弱，最终使膜的尺寸稳定性和机械性能大幅下降。

氧化石墨烯的表面存在大量的含氧基团，如羟基、羧基以及环氧基。这使得氧化石墨烯片层间的距离增大，不易发生团聚。而且这些官能团属于活性基团，由此可对氧化石墨烯进行化学改性，衍生出不同用途的氧化石墨烯，大大拓宽了石墨烯的使用领域。在离子交换膜中引入功能化改性的氧化石墨烯，不仅能提高膜的机械性能，膜的电导率和耐碱性也会进一步提高，因此，近年来将氧化石墨烯应用于有机-无机复合型阴离子交换膜的制备受到人们的广泛关注。

发明内容

本发明的目的在于提供一种离子液体修饰氧化石墨烯/咪唑聚苯醚复合型阴离子交换膜。

所述一种离子液体修饰氧化石墨烯/咪唑聚苯醚复合型阴离子交换膜，具有以下结构：

1)所述咪唑聚苯醚具有以下结构特征：