[发明专利]一种三唑石墨烯改性磺化聚苯醚质子膜的制备方法与配套成膜工艺

说明书

本发明公开了一种三唑石墨烯改性磺化聚苯醚质子膜的制备方法，包括磺化聚苯醚的制备、石墨烯‑TRI的制备、成膜，本发明采用1H‑1,2,3‑三氮唑为掺杂剂，其可以被接枝到石墨烯发生酰胺偶合反应，从而通过结构扩散来增加了质子传导属性，改善了质子迁移与连续质子的缺陷，提高了成品质子膜的综合性能。

技术领域

本发明属于膜领域，具体涉及一种三唑石墨烯改性磺化聚苯醚质子膜的制备方法和成膜工艺。

背景技术

燃料电池动力系统是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的发电装置，对解决目前“能源短缺”和“环境污染”两大难题具有重要意义。

质子交换膜燃料电池PEMFC新种类的燃料电池，具有能量转化效率高、环境友好，可在室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率和比能量高等突出特点。质子交换膜是PEMFC中的核心部件，决定燃料电池的性能。它不仅是—种隔膜材料，而且又能作为质子载体完成质子的传递。

研究比较广泛的的是美国杜邦公司生产的全氟磺酸Nafion膜，这类全氟磺酸膜具有质子导电性好，耐腐蚀性强，寿命长等优点。但高昂的价格(800美金/m2)、较低的工作温度(<100℃)、较高的甲醇渗透率以及含氟材料带来的环境问题等限制了其商业应用。

磺化聚苯醚(SPPO)过去主要报道被用在离子交换膜和超电压滤膜上，但业内普通认为，其质子导电率太低、高磺化度下机械强度差、较高的甲醇渗透率，是不能在质子燃料燃料电池中的。而本方法较为有效的解决这一问题。

目前石墨和石墨烯等碳材料导电性在燃料电池中最大的应用是用作电极材料和催化剂载体，也有个别报道说，可在燃料电池膜上，但这源于它能提高导电性，但不是质子导电率。且加入后，膜的机械强度都极差。

本方案的技术核心是将通过酰胺偶合反应三唑(TRI)，接枝到特定的衍生化的石墨烯。这种嫁接TRI奇妙地，通过克服结构扩散的质子迁移与连续质子的缺陷，与我们开发的与之匹配的制膜工艺，实现了极高的质子导电率、机械强度差、甲醇渗透率。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种三唑石墨烯改性磺化聚苯醚质子膜的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种三唑石墨烯改性磺化聚苯醚质子膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)磺化聚苯醚的制备：采用氯磺酸为磺化试剂，对聚苯醚进行磺化改性；

(2)石墨烯-TRI的制备：以1H-1,2,3-三氮唑为掺杂改性剂，对氧化石墨烯进行掺杂改性；

(3)成膜：将石墨烯-TRI溶于DMF中，配成浓度为8-12mg/ml的石墨烯-TRI/DMF溶液，超声分散25-30分钟；

将磺化聚苯醚溶于DMF中，配成浓度为46-50mg/ml的聚苯醚/DMF溶液，超声分散25-30分钟；

将上述石墨烯-TRI/DMF溶液、聚苯醚/DMF溶液混合，所述石墨烯-TRI/DMF溶液、聚苯醚/DMF溶液的体积比为1:5-7；超声1-2小时，倒入培养皿中，放入真空干燥箱在70-85℃下真空干燥20-30小时，待膜成型后，放入95-105℃的恒温干燥箱处理1-2小时，揭膜并测得其膜厚，将膜放入到1.8-2mol/L的硫酸溶液中，在60-65℃水浴中浸泡4-5小时，取出膜用去离子水洗净膜表面的残酸，放入58-60℃的鼓风机干燥1-3小时，干燥后的膜为成品膜。

所述的磺化聚苯醚的制备方法包括以下步骤：

取聚苯醚，加入到氯仿中，搅拌均匀，置于20-30℃的水浴锅中恒温10-20min；