[发明专利]磷酸掺杂的基于旋涂技术制备具有层层组装结构的高温质子交换膜方法

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，涉及质子交换膜电解质的制备技术，具体为一种基于旋涂技术制备磷酸掺杂、具有层层组装结构高温质子交换膜的方法。将凯夫拉纳米纤维、碲化镉纳米晶与磷酸分别进行旋涂完成2‑5层组装，制备具有有序结构的(Kevlar‑CdTe‑PA)_2‑5复合膜；将经过烘箱烘干的膜密闭浸泡在质量分数为40‑85％的磷酸溶液中，制备磷酸掺杂的基于碲化镉纳米晶的(Kevlar‑CdTe‑PA)_2‑5/(40‑85％)PA复合膜。本发明实现将凯夫拉纳米纤维与碲化镉纳米晶组装，制备具有有序结构以及良好质子传导能力的高温质子交换膜，在燃料电池领域具有潜在应用价值。另外，本发明为基于纳米材料以及凯夫拉纳米纤维制备新型复合膜提供新的研究方法和思路。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及质子交换膜电解质的制备技术，具体为一种基于旋涂技术制备磷酸掺杂、具有层层组装结构高温质子交换膜的方法。

背景技术

分子组装是指在分子水平上利用氢键、静电力、范德华力、疏水亲脂等弱作用力，自发地形成具有特殊结构和形状的分子集合体的过程。分子组装技术常被用在纳米材料的组装以及超薄膜的制备领域。这种技术具有操作简便、不需要特殊的设备、膜的厚度在纳米尺度范围内可控等优点。层层组装作为分子组装技术应用的具体形式，已在制备超薄复合材料领域取得巨大的发展，制备的材料广泛应用于生物医学、能源、环保等领域。但是，利用层层组装技术制备膜电解质，通常需要几百层组装才能达到10μm厚度。因此，存在制备周期较长的不足之处。

旋涂法依靠基板旋转时产生的离心力及重力作用，将落在基板上的涂料液滴全面流布于工件表面的涂覆过程。与电化学法、物理/化学气相沉积法等薄膜制备技术对比，旋涂法具备工艺条件温和、操作控制简单等独特优势，制备的薄膜厚度在30-200nm之间并精确可控。因此，利用旋涂法制备膜电解质在降低污染、节能、提高性价比等方面效果显著。近年来，旋涂法不断受到人们重视，其应用逐渐推广到材料学、物理学、医学、生物学等领域。

质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心组成部件之一，其工作温度的提高将直接决定高温质子交换膜燃料电池的发展以及商用化进程。质子交换膜既是一种致密的选择性透过膜,也是电解质(传递质子)和电极活性物质(电催化剂)的基底材料。根据中科院大连化学物理研究所衣宝廉院士的表述，对质子交换膜的要求主要有以下6点：(1)较高的质子传导率，可以降低电池内阻，减小欧姆过电位以提高电流密度，实现较高的电池效率；(2)气体在膜中的渗透性尽可能小，以免氢气和氧气在对电极表面发生反应，造成电极局部过热，影响电池的库仑效率；(3)膜对氧化、还原和水解具有稳定性，在活性物质氧化/还原和酸性作用下不降解；(4)具有足够高的机械强度和热稳定性，以承受在电池加工和运行中不均匀的机械和热量冲击，从而满足大规模生产的要求；(5)膜的表面性质适于与催化剂结合；(6)适当的性能/价格比。

凯夫拉是一种高性能芳纶纤维，英文简称Kevlar，我国制备的又称芳纶1414，这种材料的原名叫聚苯二甲酰对苯二胺(PPTA)，基本单元为—[-CO-C₆H₄-CONH-C₆H₄NH-]—。凯夫拉具备一般纤维类材料的共同优点：高强度、高模量、耐高温等，同时具有轻质量、耐化学腐蚀、阻燃性强、绝缘性好、抗疲劳、纺织性能佳、稳定性强等诸多优点。凯夫拉纳米纤维直径约为10-20nm，比重仅为1.44g/cm³，抗拉强度高达2760N/mm²，断裂处伸长率低为2.5％。目前，世界上利用凯夫拉纳米纤维制作防弹材料的报道较多，研究多集中在凯夫拉的改性方面，但由于凯夫拉纳米纤维与聚合物之间的界面作用力弱，因此基于凯夫拉纳米纤维制备聚合物膜电解质的研究较少，至于将凯夫拉纳米纤维与纳米材料复合制备膜电解质应用于高温质子交换膜电池中则尚未见报道。对于本发明，综合考虑分子组装原理以及旋涂技术的特点，结合目前凯夫拉纳米纤维的研究进展，我们认为利用旋涂法基于凯夫拉纳米纤维与碲化镉纳米材料制备磷酸掺杂的具有层层组装结构的性能良好的高温质子交换膜具有理论可行性以及较强的应用前景。