CN105895946A - 一种具有互穿网络的杂化荷电膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型具有互穿网络的杂化荷电膜及其制备方法，该方法包括以下步骤：带有季铵基团的高分子材料作为成膜材料，完全溶解后依次加入交联剂，及作为填充物的纳米无机材料，搅拌均匀，静置脱泡，流延刮膜，再经热处理，最终得到内部具有互穿网络的杂化荷电膜。形成的互穿网络能够增加膜的强度，且增加膜对离子的传导性能。所制备的膜用于微生物燃料电池时，具有良好的阻氧性能，能有效提高微生物燃料电池的性能。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种具有互穿网络的杂化荷电膜及其制备方法。具体涉及一种可用于微生物燃料电池的导电率优良，氧气透过率低的荷电膜及其制备方法。
背景技术
膜分离材料是微生物燃料电池装置的主要组成部分，它起到了传递离子，分隔阴极和阳极室物质的作用。膜材料从性能和价格两方面对微生物电池的应用和推广有着重要的影响。目前常用的商业化膜材料是Nafion系列质子交换膜，但是由于其价格昂贵，且对氧气和阳极营养物等有一定透过作用，影响了电池的运行效率。因此，寻找价格便宜，且导电率优良，对氧气和阳极营养物透过率低的荷电膜是实现微生物燃料电池大规模推广应用的关键。
发明内容
为了克服现有用于微生物燃料电池的膜材料价格昂贵，制备工艺复杂等应用的缺陷，本发明的目的在于提供一种新型具有互穿网络的杂化荷电膜及其制备方法，制备方法过程简单易操作，本发明的杂化荷电膜不仅价格低廉，且能够满足微生物燃料电池实际应用的要求，离子传导率的数量级达10-3S/cm2，对氧气和阳极营养底物渗透率低，能够有效推进微生物燃料电池的大规模应用。
本发明提供的一种具有互穿网络的杂化荷电膜材料是以带有季铵基团的有机高分子材料和无机纳米粒子为原料制成，其中无机纳米粒子的用量占整个原料质量的1-20％。
本发明提供的具有互穿网络的杂化荷电膜的制备方法包括以下步骤：
1)带有季铵基团的有机高分子材料以水为溶剂，在80-100℃的水浴中，搅拌3-5小时，完全溶解后，将溶液降温到室温，再依次加入交联剂，及无机纳米粒子，搅拌均匀得到制膜液。
2)制膜液静置脱泡后流延刮膜，在空气中放置12-24小时，再放入真空干燥箱，在40-80℃下热处理1-5小时，然后再升温到100-120℃热处理1-5小时，得到内部具有互穿网络的杂化荷电膜。
本发明的优点在于：膜材料的制备过程具有易操作、耗时少的特点。采用的带有季铵基团的有机高分子材料，对离子具有良好的传导性能；无机纳米离子的加入对氧气和阳极营养物具有阻碍作用；膜内部形成的互穿网络结构将有机材料与无机纳米离子紧密地结合起来，增加了膜对氧气和微生物燃料电池中阳极营养物的阻隔作用。本发明制备的膜的离子传导率的数量级达10-3S/cm2，膜对氧气的传质系数为0.03-0.1×10-4cm/s，优于目前市场上商业化的Nafion117膜(0.5×10-4cm/s)。
附图说明
实施例1所制的杂化荷电膜及Nafion117膜对氧气传递的阻隔性能随时间变化曲线
具体实施方式
实施例1：
将6g季铵化聚乙烯醇置于带有搅拌器的三口烧瓶中，加入100mL去离子水，在95℃的水浴中加热至完全溶解，再将溶液降至室温。将2mL5％戊二醛溶液在机械搅拌下逐滴加入到季铵化聚乙烯醇溶液中，再加入质量比为5％的纳米二氧化硅粉末，在室温下搅拌反应1小时，配制成均相铸膜液。将铸膜液室温下静置脱泡4小时，倒在玻璃板上流延成膜，室温静置24小时，将膜从玻璃板上剥离。将膜放入真空干燥箱60℃中干燥4小时，将温度升至100℃热处理2小时，最终得到具有互穿网络的杂化荷电膜。经检测，膜的离子传递率可达5.2×10-3S/cm2，达到了应用的基本要求，且膜对氧气的传质系数为0.04×10-4cm/s，优于目前市场上商业化的Nafion117膜(0.5×10-4cm/s)。膜对氧气良好的阻隔性能，极大地提高了微生物燃料电池的效率。
Claims (6)
1.一种具有互穿网络的杂化荷电膜的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
1)带有季铵基团的高分子材料为原料，以水为溶剂，在80-100℃的水浴中，搅拌3-5小时，完全溶解后，依次加入交联剂，及无机纳米粒子，搅拌均匀得到制膜液。
2)制膜液静置脱泡后流延刮膜，再经热处理得到杂化荷电膜。
2.一种根据权利要求1所述的制备方法所制得的杂化荷电膜，其特征是：膜内部有贯通的互穿网络结构。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述的季铵化高分子材料可以为季铵化聚醚砜，季铵化聚乙烯醇，季铵化壳聚糖中的一种或多种；所述的无机纳米材料可以为纳米二氧化硅，纳米二氧化钛，纳米氧化铝，纳米二氧化锰中的一种或多种；所述的交联剂可以为戊二醛，硅烷，乙烯砜中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中，制膜液流延刮膜后，在空气中放置12-24小时，再放入真空干燥箱，在40-80℃下热处理1-5小时，然后再升温到100-120℃热处理1-5小时。
5.根据权利要求2所述的杂化荷电膜，其特征是：膜中无机材料所占比例为质量比1％-20％。
6.根据权利要求2所述的杂化荷电膜，其特征是：膜中有机材料所占比例为质量比5％-10％。
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