[发明专利]一种新型阳离子交换膜及其制备方法、应用

说明书

本发明属于燃料电池离子交换膜技术领域，具体涉及一种新型阳离子交换膜及其制备方法、应用。制备方法包括以下步骤：S1、将氯磺酸加入聚偏氟乙烯‑六氟丙烯中搅拌发生磺化反应，然后洗涤、干燥得到改性聚偏氟乙烯‑六氟丙烯颗粒；S2、将S1得到的改性聚偏氟乙烯‑六氟丙烯颗粒溶解在溶剂中室温搅拌反应，然后将离子液体滴加到上述溶液中，然后高速搅拌混合均匀，然后倒入承载体上使溶液铺展开，干燥去除溶剂，得到阳离子交换膜。本发明制备的离子交换膜的在离子交换能力、亲水性、质子电导率、厚度、电流与功率密度均有显著优势，制备工艺简单，造价低廉，可以作为微生物燃料电池商用离子交换膜的潜在替代产品。

技术领域

本发明属于燃料电池离子交换膜技术领域，具体涉及一种新型阳离子交换膜及其制备方法、应用。

背景技术

微生物燃料电池(MFC)因可利用有机废物发电功能，实现可再生能源开发的同时可同步缓解环境问题而备受广泛关注。微生物燃料电池的性能取决于不同的参数，如设计、pH、温度、底物浓度等，特别是构成燃料电池的核心部件质子交换膜质子传输能力强弱及性能稳定性，对微生物燃料电池性能起关键作用。迄今为止，杜邦制造的Nafion膜是被广泛接受的离子交换膜(PEM)，具有离子(H⁺)电导率高和化学稳定性好的优点。然而，高昂的售价(约1500$/m²)阻碍了微生物燃料电池技术在有机污染物处理领域的广泛推广应用。因此，成本低廉、合成步骤简易、性能优良且稳定性良好的质子交换膜的研发成为微生物燃料电池处理有机污染物领域的研究热点。

偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚物聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-co-HFP)由于较高的电导率，较好的机械强度和热稳定性，优良的界面特性和电化学性能而被认为是合成离子交换膜的理想聚合物电解质，但现有的PVDF-co-HFP膜的孔径结构较小且分布不均一，内阻较大，离子交换能力差，容易滋生或附着细菌，因此如何强化PVDF-co-HFP膜的离子交换能力，增强电流产率与功率密度，避免滋生或附着细菌，制备一种新型阳离子交换膜是至关重要的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种新型阳离子交换膜及其制备方法、应用，利用氯磺酸及离子液体共同强化阳离子交换膜，使离子交换能力、亲水性、质子电导率、厚度、电流与功率密度等方面均有显著优势，不易滋生或附着细菌，制备工艺简单，造价低廉，可以作为微生物燃料电池商用离子交换膜的潜在替代产品。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的。

一种新型阳离子交换膜的制备方法，包括以下步骤：

S1、将氯磺酸加入聚偏氟乙烯-六氟丙烯中搅拌发生磺化反应，然后洗涤、干燥得到改性聚偏氟乙烯-六氟丙烯颗粒；

S2、将S1得到的改性聚偏氟乙烯-六氟丙烯颗粒溶解在溶剂中室温搅拌反应，然后将离子液体滴加到上述溶液中，然后高速搅拌混合均匀，然后倒入承载体上使溶液铺展开，干燥去除溶剂，得到阳离子交换膜。

优选的，S1中，所述聚偏氟乙烯-六氟丙烯与氯磺酸的质量体积比为1:1～3。

优选的，S1中，所述磺化反应的温度为60～70℃，时间为7～10h；所述洗涤的方式为依次用1,2-二氯乙烷、甲醇和去离子水进行洗涤；所述干燥的温度为60～70℃或-20℃～-40℃，时间为12～24h。

优选的，S2中，所述改性聚偏氟乙烯-六氟丙烯、溶剂和离子液体的质量体积比为1:6:1～3。

优选的，S2中，所述溶剂为N-甲基-2-吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或二甲基乙酰胺，搅拌反应的时间为10～14h。

优选的，S2中，所述离子液体为N-甲基-N-丙基哌啶二(三氟甲基磺酰)亚胺。

本发明还提供了上述新型阳离子交换膜的制备方法制备的阳离子交换膜。