[发明专利]一种用于高温低湿质子交换膜燃料电池的Nafion复合膜及其制备和应用

权利要求书

1.一种用于高温低湿质子交换膜燃料电池的Nafion复合膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)还原氧化石墨烯得到石墨烯，然后通过重氮盐加成反应将原子转移自由基聚合反应引发剂接枝到石墨烯表面，得到ATRP引发剂接枝改性石墨烯；

(2)通过ATRP反应将唑类基团和亲水基团接枝聚合到石墨烯表面，得到含唑类基团和亲水基团的共聚物接枝石墨烯；

(3)将含唑类基团和亲水基团的共聚物接枝石墨烯的分散液与Nafion溶液混合均匀，采用溶液浇铸法制备用于高温低湿质子交换膜燃料电池的Nafion复合膜。

2.根据权利要求1所述的用于高温低湿质子交换膜燃料电池的Nafion复合膜的制备方法，其特征在于:

步骤(1)中所述的通过重氮盐加成反应将原子转移自由基聚合反应引发剂接枝到石墨烯表面的方法是：将还原得到的石墨烯均匀分散于水中，再加入4-氨基苯乙醇和亚硝酸异戊酯进行反应，得到羟基改性石墨烯；然后将羟基改性石墨烯与原子转移自由基聚合反应引发剂在氮气气氛以及催化剂作用下反应，得到ATRP引发剂接枝改性石墨烯。

3.根据权利要求2所述的用于高温低湿质子交换膜燃料电池的Nafion复合膜的制备方法，其特征在于:

步骤(1)中所述的石墨烯、4-氨基苯乙醇和亚硝酸异戊酯的质量比为1:4～8:2～6；

步骤(1)中所述的加入4-氨基苯乙醇和亚硝酸异戊酯进行反应是指在60～100℃反应12～24h；

步骤(1)中所述的原子转移自由基聚合反应引发剂为α-溴异丁酰溴、2-溴丙酰溴、2-溴正丁酰溴、溴乙酰溴中的一种；

步骤(1)中所述的羟基改性石墨烯与原子转移自由基聚合反应引发剂的质量比为1:10～20；

步骤(1)中所述的催化剂为三乙胺；

步骤(1)中所述的在氮气气氛下以及催化剂作用下反应是指在室温下反应24～48h。

4.根据权利要求1所述的用于高温低湿质子交换膜燃料电池的Nafion复合膜的制备方法，其特征在于:

步骤(2)中所述的通过ATRP反应将唑类基团和亲水基团接枝聚合到石墨烯表面的方法如下：将ATRP引发剂接枝改性石墨烯、含有唑类基团的单体和含有亲水基团的单体混合，然后在氮气氛围下加入催化剂进行反应，得到含有唑类基团和亲水基团的共聚物接枝石墨烯。

5.根据权利要求4所述的用于高温低湿质子交换膜燃料电池的Nafion复合膜的制备方法，其特征在于:

步骤(2)中，所述的含有唑类基团的单体为1-乙烯基咪唑或2-甲基-1-乙烯基咪唑；所述的含有亲水基团的单体为聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯；

步骤(2)中，所述的含有唑类基团的单体和含有亲水基团的单体的用量满足：唑类基团和亲水基团的摩尔比为10:1～1:1；所述的ATRP引发剂接枝改性石墨烯和含有唑类基团的单体的质量比为1:10～20；

步骤(2)中所述的催化剂为2,2'-联吡啶/溴化亚铜，所述的催化剂的用量为催化量；

步骤(2)中所述的反应是指在室温下反应24～48h。

6.根据权利要求1所述的用于高温低湿质子交换膜燃料电池的Nafion复合膜的制备方法，其特征在于:

步骤(2)中所述的含唑类基团和亲水基团的共聚物接枝石墨烯，具有如下所示的结构：

其中，R₁为-H或-CH₃。

7.根据权利要求1所述的用于高温低湿质子交换膜燃料电池的Nafion复合膜的制备方法，其特征在于:

步骤(3)中具体包括以下步骤：将含唑类基团和亲水基团的共聚物接枝石墨烯分散至DMF溶液中，并与Nafion的DMF溶液混合，得到均匀的铸膜液，浇铸成膜，真空干燥，最后依次经双氧水、去离子水和硫酸溶液处理得到用于高温低湿质子交换膜燃料电池的Nafion复合膜。