CN105514466A - 一种负载多元催化剂的甲醇燃料电池质子交换膜的制备方法 - Google Patents

一种负载多元催化剂的甲醇燃料电池质子交换膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种负载多元催化剂的甲醇燃料电池质子交换膜的制备方法，该方法具体包括如下步骤：（1）制备含有稀土金属氧化物的氯铂酸乙醇溶液；（2）制备聚偏氟乙烯纺丝溶液；（3）将含有稀土金属氧化物的氯铂酸乙醇溶液和聚偏氟乙烯溶液混合，电纺获得复合纳米纤维膜；（4）在水溶液中还原获得负载多元催化剂的甲醇燃料质子交换膜。本发明制备工艺简单，易于操作，制备的质子交换膜可用于甲醇燃料电池，能提高催化剂抗CO中毒能力，聚偏氟乙烯作为载体，大大提高电池的输出特性，稀土金属氧化物可以减少氯铂酸用量，降低燃料电池的成本，具有较好的商业化应用前景。

Description

一种负载多元催化剂的甲醇燃料电池质子交换膜的制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池材料制备技术领域，特别涉及一种负载多元催化剂的甲醇燃料电池质子交换膜的制备方法。
背景技术
燃料电池是一种高性能的、对环境无污染的新型化学电源。在环境保护被日益重视的今天，燃料电池的研究和开发已经引起许多发达国家的重视。美国、日本、加拿大等经济发达国家政府已制定了相关的政策来促进本国燃料电池的发展。质子交换膜燃料电池是第五代先进燃料电池，除了具有燃料电池的一般特点如不受卡诺循环的限制、能量转化率高等优点之外，同时还具有可常温快速启动、无电解液流失、寿命长、比功率与比能量高等突出优点。按照其所使用的燃料电池进行分类，现在研究的质子交换膜燃料电池主要有两类：一类是以纯氢或重整氢气为燃料的氢氧燃料电池；另一类是直接以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池。直接甲醇燃料电池(DMFC)所采用的液体燃料决定了其便携性，是最有希望成为移动电源，分散电站的燃料电池类型。DMFC的能量转化率高，启动时间快，在未来的新能源时代，有望成为能源结构不可或缺的重要组成部分。
质子交换膜是质子交换燃料电池（PEMFC）的核心组件，它在燃料电池中起到双重作用。一方面，作为电解质起到质子传递作用，另一方面，作为隔板隔离膜材料两级的物料。目前，质子交换膜燃料电池主要采用美国杜邦公司的全氟磺酸膜Nafion膜。这类膜性能优异，但温度高于90℃后，由于失水，膜的电导率会显著下降。另外，由于Nafion膜对甲醇的透过率高，使阴极产生混合电位，造成阴极性能衰减，会大大降低直接甲醇燃料电池（DMFC）的工作性能。
聚偏氟乙烯(polyvinylidenefluoride,PVDF)是一类广泛应用的高分子材料，根据处理条件不同，可以得到多种不同的结晶相，其中α相具有优异的力学性能，β相具有较强的压电、介电、热电性能；此外，PVDF还具有原料便宜、耐化学腐蚀性、耐氧化性、耐磨性、柔韧性好等优点，已经在石油化工、电子电气、氟碳涂料等领域得到了广泛的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种负载多元催化剂的甲醇燃料电池质子交换膜的制备方法，其特征在于，方法具体是按以下步骤完成的：
（1）将氯铂酸和稀土金属氧化物加入无水乙醇中，氯铂酸的浓度为0.1～1%，超声分散1～3h后，得到分散均匀的含有稀土金属氧化物的氯铂酸乙醇溶液；
（2）将聚偏氟乙烯粉末加入到N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的复合溶剂中，在温度T=60～80℃下搅拌溶解，制得浓度为18%的聚偏氟乙烯溶液；
（3）在搅拌条件下，将含有稀土金属氧化物的氯铂酸乙醇溶液逐滴加入到聚偏氟乙烯溶液中，其与聚偏氟乙烯溶液的质量比为1:5～15，混合均匀静置脱泡后在静电纺丝装置中制备出聚偏氟乙烯复合纳米纤维膜，静电纺丝条件为：：纺丝电压为15～25kV，温度为25～40℃，相对湿度为30%～70%，纺丝距离为20cm，喷丝头纺丝溶液的流速为0.5～1.0mL/h；
（4）将制备的聚偏氟乙烯复合纳米纤维膜浸泡在含有还原剂的去离子水中，在温度为T=80～100℃下，密闭反应3～5h，反应结束后用去离子水反复冲洗纤维膜3～5次，除去未反应的还原剂，真空干燥24h，获得负载多元催化剂的甲醇燃料质子交换膜。
上述制备方法中步骤（1）中所述的稀土金属氧化物为氧化铈、氧化钇、氧化钪、氧化钐中的一种或几种，稀土金属氧化物与氯铂酸的质量比为（1～10）:1。
上述制备方法中步骤（2）中所述的N,N-二甲基甲酰胺和丙酮质量比为8:2～9:1。
上述制备方法中步骤（4）所述的还原剂为水合肼、甲醛、甲酸钠、硼氢化钠中的一种或几种，浓度为1～3%。
本发明具有如下有益效果：（1）本发明利用静电纺丝制备的聚偏氟乙烯纤维膜作为催化剂载体，具有较高的孔隙率，可以高效的吸附甲醇，降低甲醇的渗透率；（2）催化剂在纤维膜中分布均匀，能提高催化剂抗CO中毒能力，聚偏氟乙烯作为载体，大大提高电池的输出特性；（3）稀土金属氧化物的加入，可以减少氯铂酸用量，降低燃料电池的成本；（4）本发明制备工艺简单，易于操作。
具体实施方式
实施例1
（1）将氯铂酸和氧化铈加入无水乙醇中，氧化铈与氯铂酸的质量比为1:1，氯铂酸的浓度为0.1%，超声分散1h后，得到分散均匀的含有氧化铈的氯铂酸乙醇溶液；
（2）将聚偏氟乙烯粉末加入到质量比为8:2的N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的复合溶剂中，在温度T=60℃下搅拌溶解，制得浓度为18%的聚偏氟乙烯溶液；
（3）在搅拌条件下，将含有氧化铈的氯铂酸乙醇溶液逐滴加入到聚偏氟乙烯溶液中，其与聚偏氟乙烯溶液的质量比为1:5，混合均匀静置脱泡后在静电纺丝装置中制备出聚偏氟乙烯复合纳米纤维膜，静电纺丝条件为：：纺丝电压为18kV，温度为25℃，相对湿度为30%，纺丝距离为20cm，喷丝头纺丝溶液的流速为0.5mL/h；
（4）将制备的聚偏氟乙烯复合纳米纤维膜浸泡在浓度为1%的水合肼去离子水中，在温度为T=80℃下，密闭反应3h，反应结束后用去离子水反复冲洗纤维膜3～5次，除去未反应的水合肼，真空干燥24h，获得负载多元催化剂的甲醇燃料质子交换膜。
实施例2
（1）将氯铂酸和氧化铈加入无水乙醇中，氧化铈与氯铂酸的质量比为3:1，氯铂酸的浓度为0.3%，超声分散1h后，得到分散均匀的含有氧化铈的氯铂酸乙醇溶液；
（2）将聚偏氟乙烯粉末加入到质量比为8:2的N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的复合溶剂中，在温度T=60℃下搅拌溶解，制得浓度为18%的聚偏氟乙烯溶液；
（3）在搅拌条件下，将含有氧化铈的氯铂酸乙醇溶液逐滴加入到聚偏氟乙烯溶液中，其与聚偏氟乙烯溶液的质量比为1:10，混合均匀静置脱泡后在静电纺丝装置中制备出聚偏氟乙烯复合纳米纤维膜，静电纺丝条件为：：纺丝电压为18kV，温度为25℃，相对湿度为30%，纺丝距离为20cm，喷丝头纺丝溶液的流速为0.5mL/h；
（4）将制备的聚偏氟乙烯复合纳米纤维膜浸泡在浓度为1%的水合肼去离子水中，在温度为T=80℃下，密闭反应3h，反应结束后用去离子水反复冲洗纤维膜3～5次，除去未反应的水合肼，真空干燥24h，获得负载多元催化剂的甲醇燃料质子交换膜。
实施例3
（1）将氯铂酸和氧化钇加入无水乙醇中，氧化钇与氯铂酸的质量比为3:1，氯铂酸的浓度为0.5%，超声分散1h后，得到分散均匀的含有氧化铈的氯铂酸乙醇溶液；
（2）将聚偏氟乙烯粉末加入到质量比为8:2的N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的复合溶剂中，在温度T=60℃下搅拌溶解，制得浓度为18%的聚偏氟乙烯溶液；
（3）在搅拌条件下，将含有氧化铈的氯铂酸乙醇溶液逐滴加入到聚偏氟乙烯溶液中，其与聚偏氟乙烯溶液的质量比为1:10，混合均匀静置脱泡后在静电纺丝装置中制备出聚偏氟乙烯复合纳米纤维膜，静电纺丝条件为：：纺丝电压为18kV，温度为25℃，相对湿度为30%，纺丝距离为20cm，喷丝头纺丝溶液的流速为0.5mL/h；
（4）将制备的聚偏氟乙烯复合纳米纤维膜浸泡在浓度为1.5%的水合肼去离子水中，在温度为T=80℃下，密闭反应3h，反应结束后用去离子水反复冲洗纤维膜3～5次，除去未反应的水合肼，真空干燥24h，获得负载多元催化剂的甲醇燃料质子交换膜。
实施例4
（1）将氯铂酸和氧化钪加入无水乙醇中，氧化钪与氯铂酸的质量比为5:1，氯铂酸的浓度为0.5%，超声分散1h后，得到分散均匀的含有氧化铈的氯铂酸乙醇溶液；
（2）将聚偏氟乙烯粉末加入到质量比为9:1的N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的复合溶剂中，在温度T=60℃下搅拌溶解，制得浓度为18%的聚偏氟乙烯溶液；
（3）在搅拌条件下，将含有氧化铈的氯铂酸乙醇溶液逐滴加入到聚偏氟乙烯溶液中，其与聚偏氟乙烯溶液的质量比为1:10，混合均匀静置脱泡后在静电纺丝装置中制备出聚偏氟乙烯复合纳米纤维膜，静电纺丝条件为：：纺丝电压为20kV，温度为25℃，相对湿度为30%，纺丝距离为20cm，喷丝头纺丝溶液的流速为0.5mL/h；
（4）将制备的聚偏氟乙烯复合纳米纤维膜浸泡在浓度为1.5%的水合肼去离子水中，在温度为T=80℃下，密闭反应3h，反应结束后用去离子水反复冲洗纤维膜3～5次，除去未反应的水合肼，真空干燥24h，获得负载多元催化剂的甲醇燃料质子交换膜。
实施例5
（1）将氯铂酸和氧化钪加入无水乙醇中，氧化钪与氯铂酸的质量比为5:1，氯铂酸的浓度为0.5%，超声分散1h后，得到分散均匀的含有氧化铈的氯铂酸乙醇溶液；
（2）将聚偏氟乙烯粉末加入到质量比为9:1的N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的复合溶剂中，在温度T=60℃下搅拌溶解，制得浓度为18%的聚偏氟乙烯溶液；
（3）在搅拌条件下，将含有氧化铈的氯铂酸乙醇溶液逐滴加入到聚偏氟乙烯溶液中，其与聚偏氟乙烯溶液的质量比为1:10，混合均匀静置脱泡后在静电纺丝装置中制备出聚偏氟乙烯复合纳米纤维膜，静电纺丝条件为：：纺丝电压为20kV，温度为25℃，相对湿度为30%，纺丝距离为20cm，喷丝头纺丝溶液的流速为0.5mL/h；
（4）将制备的聚偏氟乙烯复合纳米纤维膜浸泡在浓度为1.5%的硼氢化钠去离子水中，在温度为T=90℃下，密闭反应3h，反应结束后用去离子水反复冲洗纤维膜3～5次，除去未反应的水合肼，真空干燥24h，获得负载多元催化剂的甲醇燃料质子交换膜。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种负载多元催化剂的甲醇燃料电池质子交换膜的制备方法,其特征在于,该方法具体包括如下步骤:
（1）将氯铂酸和稀土金属氧化物加入无水乙醇中，氯铂酸的浓度为0.1～1%，超声分散1～3h后，得到分散均匀的含有稀土金属氧化物的氯铂酸乙醇溶液；
（2）将聚偏氟乙烯粉末加入到N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的复合溶剂中，在温度T=60～80℃下搅拌溶解，制得浓度为18%的聚偏氟乙烯溶液；
（3）在搅拌条件下，将含有稀土金属氧化物的氯铂酸乙醇溶液逐滴加入到聚偏氟乙烯溶液中，其与聚偏氟乙烯溶液的质量比为1:5～15，混合均匀静置脱泡后在静电纺丝装置中制备出聚偏氟乙烯复合纳米纤维膜，静电纺丝条件为：：纺丝电压为15～25kV，温度为25～40℃，相对湿度为30%～70%，纺丝距离为20cm，喷丝头纺丝溶液的流速为0.5～1.0mL/h；
（4）将制备的聚偏氟乙烯复合纳米纤维膜浸泡在含有还原剂的去离子水中，在温度为T=80～100℃下，密闭反应3～5h，反应结束后用去离子水反复冲洗纤维膜3～5次，除去未反应的还原剂，真空干燥24h，获得负载多元催化剂的甲醇燃料质子交换膜。
2.根据权利要求1所述的一种负载多元催化剂的甲醇燃料电池质子交换膜的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述的稀土金属氧化物为氧化铈、氧化钇、氧化钪、氧化钐中的一种或几种，稀土金属氧化物与氯铂酸的质量比为（1～10）:1。
3.根据权利要求1所述的一种多孔石墨烯纳米纤维膜及其制备方法，其特征在于步骤（2）中所述的N,N-二甲基甲酰胺和丙酮质量比为8:2～9:1。
4.根据权利要求1所述的一种多孔石墨烯纳米纤维膜及其制备方法，其特征在于步骤（4）所述的还原剂为水合肼、甲醛、甲酸钠、硼氢化钠中的一种或几种，浓度为1～3%。
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