CN108183250A - 一种复合高温质子交换膜及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种复合高温质子交换膜及其制备和应用,所述复合高温质子交换膜为吸附有H3PO4的PBI‑SiO2复合膜,所述SiO2为酸改性有序介孔SiO2,其于复合膜中的质量含量为0.1%‑30%,其中所述酸与有序化介孔SiO2的质量比为0.001:1‑0.2:1;所述H3PO4于吸附H3PO4后的PBI‑SiO2复合高温质子交换膜中的质量含量为70%‑98%。与现有技术相比:本发明采用的酸改性有序介孔SiO2含有大量的氢键,能够与PBI形成较强的分子间作用力,在杂化膜中具有较好的分散性;酸改性有序介孔SiO2具有有序的质子传输通道,有助于提高低湿条件下的质子传导率;本发明所制备的复合膜兼具较高的质子传导率和良好的机械性能,是一种综合性能优良的高温质子交换膜。
Description
技术领域
本发明涉及高温燃料电池复合质子交换膜及其制备方法,特别是一种吸附有H3PO4的PBI-SiO2复合高温质子交换膜。
背景技术
燃料电池是一种将化学能转化为电能的电化学转换装置,是21世纪最有竞争力的发电技术之一。在诸多燃料电池系统中,高温质子交换膜燃料电池因其(1)耐CO能力强;(2)系统简单,成为国际燃料电池领域研究、开发的热点。
聚苯并咪唑(PBI)由于具有较高的玻璃化转变温度,在高温质子交换膜燃料电池领域研究相对成熟。磷酸掺杂聚苯并咪唑膜的电导率随着膜酸掺杂水平的增大而升高,但与此同时由于磷酸的塑化影响,磷酸掺杂聚苯并咪唑膜的稳定性随之变差。有序介孔SiO2不仅延续了SiO2的保水性能,还具有有序的介孔结构(孔道在纳米尺度2-50nm)。通过将酸预先掺杂于有序介孔SiO2中,一方面可以将酸锚定在有序介孔SiO2介孔内部,在介孔内部形成连续的质子传递通道,提升复合膜的质子传导率,另一方面,同时将酸锚定在有序介孔SiO2表面,增强了功能化有序介孔SiO2与PBI的氢键作用,有利于有序介孔SiO2在复合膜中的均匀分散。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足,目的在于解决目前基于磷酸掺杂PBI聚合物电解质膜普遍存在的机械性能差和磷酸流失问题,制备吸附有H3PO4的PBI-SiO2复合高温质子交换膜,开发兼具良好机械性能和高质子传导率的高温质子交换膜,为实现上述目的,本发明首先利用自组装方法预先制备一种酸掺杂有序介孔SiO2,采用共混法将其与PBI按一定比例共混并得到PBI-SiO2复合膜,最后将其浸渍在一定浓度的磷酸得到复合高温质子交换膜。酸改性有序介孔SiO2在膜中既起到保水作用,又提供质子传输功能,有助于强化高温质子交换膜的质子传输性能,提高复合膜综合性能。
本发明采取的具体方案如下:
一种复合高温质子交换膜,所述复合高温质子交换膜为吸附有H3PO4的PBI-SiO2复合高温质子交换膜,所述SiO2为酸改性有序介孔SiO2,其于复合膜中的质量含量为0.1%-30%,其中所述酸与有序化介孔SiO2的质量比为0.001:1-0.2:1;所述H3PO4于吸附H3PO4后的PBI-SiO2复合高温质子交换膜中的质量含量为70%-98%;所述酸改性的有序介孔SiO2于所述复合膜中均匀分散,所述复合高温质子交换膜的具有较高保酸能力、保水能力和高温质子传导率以及良好的机械性能。通过将酸掺杂预先掺杂于有序介孔SiO2中,一方面可以将酸锚定在有序介孔SiO2介孔内部,在介孔内部形成连续的质子传递通道,提升复合膜的质子传导率,另一方面,通过同时将酸提前没顶在锚定在有序介孔SiO2表面,能够使所制备的增强了功能化有序介孔SiO2与PBI形成大量的的氢键作用,有利于有序介孔SiO2在复合膜中的均匀分散。
所述有序介孔SiO2为M-41S、SBA-11、SBA-12、SBA-14、SBA-15、SBA-16、FDU-1、MCM-41、MCM-48和MCM-50中的一种,所述掺杂酸为磷酸或钼杂多酸或钨杂多酸。所选择的有序介孔SiO2尺寸不超过5μm,所选掺杂酸具有较高的质子传导率,在高温条件下具有良好的稳定性。
所述复合高温质子交换膜的制备方法,包括以下步骤,
(1)酸掺杂有序化介孔SiO2的制备:于单口瓶中加入有序介孔SiO2、水和掺杂酸,将盛有混合溶液的单口瓶放入减压装置中,在表压为-0.1至-0.05MPa下静置0.3-1小时,然后在单口瓶上装好冷凝回流装置,并在20-100℃条件下,恒温、常压下处理1-100小时,过滤、干燥、洗涤得酸改性有序介孔SiO2;;采用上述制备过程,可以使掺杂酸更容易进入介孔内部,构筑有序质子传输通道,升高温度有助于加快掺杂酸与有序介孔SiO2的自组装速度。
(2)PBI-SiO2复合膜的制备:于质量分数为0.1-50wt%的PBI溶液中加入步骤(1)所得功能化有序介孔SiO2并搅拌均匀得PBI-SiO2混合铸膜液,采用铸膜方法对铸膜液进行铸膜并烘干后得PBI-SiO2复合膜;
(3)复合高温质子交换膜的制备:将步骤(2)所得PBI-SiO2复合膜置于质量浓度为50-100wt%的磷酸中浸渍处理2小时以上,取出膜后烘干处理得吸附H3PO4后的PBI-SiO2复合高温质子交换膜。
步骤(1)所述有序介孔SiO2为M-41S、SBA-11、SBA-12、SBA-14、SBA-15、SBA-16、FDU-1、MCM-41、MCM-48和MCM-50中的一种;所述掺杂酸为磷酸或钼杂多酸或钨杂多酸;
步骤(1)所述有序介孔SiO2与水的质量比为1:10-1:25;水和掺杂酸的质量5:1-10:1;水的质量是有序介孔SiO2的10~25倍,以保证水刚好全部浸没有序介孔SiO2。水是掺杂酸的10~25倍,以免掺杂酸的浓度过高时,掺杂酸在介孔外部快速聚集,堵塞孔道防止掺杂酸进入孔内部,无法形成连续质子传输通道,或浓度过低时,自组装掺杂酸含量低。
步骤(1)所述恒温处理时间较好为10~50h,最好为24~48h。处理时间过短,膜尚未达到吸酸平衡,容易出现局部不平整现象,或处理时间过长,膜中PBI组分溶解在磷酸中。
步骤(2)中PBI溶液中的溶剂为极性溶剂,具体为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、多聚磷酸中的一种或两种以上的混合物;所述铸膜液中酸改性有序介孔SiO2于复合膜中的质量含量为0.0001-15wt%。PBI在这个浓度下黏度适中,适合成膜,功能化有序介孔含量过低,作用有限,含量过高,复合膜机械性能下降明显。
步骤(2)所述铸膜方法为流延法、涂布法和旋涂法中的一种,烘干处理温度为0-250℃。
步骤(2)中PBI溶液的质量分数较优为1-25wt%,最优为6-15wt%;步骤(2)中所述铸膜液中酸改性有序介孔SiO2于复合膜中的质量含量较优为0.001-10wt%,最优为0.01-5wt%;对所述PBI-SiO2复合膜的烘干处理温度较优为40-200℃,最优为60~150℃。
步骤(3)中对PBI-SiO2复合膜进行浸酸处理的磷酸的质量浓度较好为85-100wt%,最好为85-95wt%。磷酸浓度直接影响吸附H3PO4后的复合高温质子交换膜中磷酸掺杂量,磷酸浓度高容易导致磷酸掺杂量过高,使复合高温质子交换膜强度下降或直接溶解,磷酸浓度低磷酸掺杂量过低,膜质子传导率低。
所述吸附H3PO4后的PBI-SiO2复合高温质子交换膜为高温燃料电池用质子交换膜。
与现有磷酸掺杂高温质子交换膜相比:
1)本法明采用的酸改性有序介孔SiO2含有大量的氢键,能够与PBI形成较强的分子间作用力,在杂化膜中具有较好的分散性;
2)酸改性有序介孔SiO2具有有序的质子传输通道,有助于提高低湿条件下的质子传导率;
3)本发明所制备的复合膜兼具较高的质子传导率和良好的机械性能,是一种综合性能优良的高温质子交换膜。
附图说明
图1为PBI分子结构图;
图2为MCM-48介孔SiO2与酸改性MCM-48孔径分布;
图3中磷酸掺杂水平为10,酸改性MCM-48于PBI-SiO2复合膜中质量分数为5%的磷酸掺杂复合膜PA/PBI-5-PASiO2和未掺杂酸改性介孔SiO2的磷酸掺杂复合膜(PA/PBI)质子传导性能;
图4中磷酸掺杂水平为10,酸改性MCM-48于PBI-SiO2复合膜中质量分数为5%的磷酸掺杂复合膜PA/PBI-5-PASiO2和未掺杂酸改性有序介孔SiO2的磷酸掺杂复合膜(PA/PBI)质子传导性能。
具体实施方式
实施例1:
取20g聚(2,2’-(m-苯基)-5,5’-联苯咪唑)(mPBI)加入180g N,N-二甲基乙酰胺,室温下搅拌24h,使其形成固含量为10wt%的mPBI溶液。称取mPBI溶液(10wt%固含量)30g,将溶液倒在玻璃板上流延并在烘箱中80℃下彻底烘干,150℃持续加热5小时,最后从玻璃板上取下,获得PBI膜。
取4*4cm的PBI膜浸渍在85wt%的磷酸溶液中,80℃浸渍24h,用滤纸除去表面多余磷酸,获得未掺杂酸改性有序介孔SiO2的磷酸掺杂复合膜(PA/PBI)质,其磷酸掺杂水平为10.0。
实施例2:
(1)将15ml85wt%磷酸,50ml去离子水和3.0MCM-48依次加入单口瓶中,放入减压装置中,在-0.1MPa下静置0.5小时,然后在单口瓶上装好冷凝回流装置,80℃,常压下恒温,反应24h,利用布氏漏斗将所制备的固体粉末与溶剂分离,并用乙醇反复冲洗固体粉末,收集后在120℃的真空烘箱烘干12h制备得到酸改性有序介孔SiO2,即磷酸功能化MCM-48(PA-MCM)。
称取mPBI溶液(10wt%固含量)28.5g,向其中加入0.15g PA-MCM,将溶液倒在玻璃板上流延并在烘箱中80℃下彻底烘干,150℃持续加热5h,最后从玻璃板上取下,获得磷酸酸改性MCM-48于复合膜中质量分数为5%的PBI-SiO2复合膜(PBI-5-PASiO2)。
取4*4cm的PBI-5-PASiO2完全浸没在85wt%的磷酸溶液中,80℃浸渍24小时后,用镊子取出并用滤纸除去表面多余磷酸,获得磷酸改性MCM-48于PBI-SiO2复合膜中质量分数为5%的磷酸掺杂高温质子交换膜(PA/PBI-5-PASiO2)。磷酸掺杂水平为10。
实施例3:
采用与实施例2制备PA/PBI-5-PASiO2相同的方法制备磷酸改性MCM-48于PBI-SiO2复合膜中质量分数为20%的磷酸掺杂高温质子交换膜(PA/PBI-20-PASiO2),不同的是将PA-MCM的质量增加到0.6g。
实施例4:
采用与实施例2制备PA/PBI-5-PASiO2相同的方法制备磷钨酸改性MCM-48于PBI-SiO2复合膜中质量分数为5%的磷酸掺杂高温质子交换膜(PA/PBI-5-HPWSiO2),不同的是在制备酸改性MCM-48过程中采用15g磷钨酸替代15ml 85wt%磷酸,并用磷钨酸改性MCM-48代替磷酸改性MCM-48与PBI溶液进行复合掺杂。
实施例5:
采用与实施例3制备PA/PBI-20-PASiO2相同的方法制备磷酸改性SBA-15于PBI-SiO2复合膜中质量分数为20%的磷酸掺杂高温质子交换膜(PA/PBI-20-PASiO2),不同的是在制备功能化介孔SiO2过程中采用SBA-15替代MCM-48,并用磷酸改性SBA-15代替磷酸改性MCM-48与PBI溶液进行复合掺杂。
Claims (10)
1.一种复合高温质子交换膜,其特征在于:所述复合高温质子交换膜为吸附有H3PO4的PBI-SiO2复合膜,所述SiO2为酸改性有序介孔SiO2,其于复合膜中的质量含量为0.1%-30%,其中所述酸与有序化介孔SiO2的质量比为0.001:1-0.2:1;
所述H3PO4于吸附H3PO4后的PBI-SiO2复合高温质子交换膜中的质量含量为70%-98%。
2.如权利要求1所述复合高温质子交换膜,其特征在于:所述有序介孔SiO2为M-41S、SBA-11、SBA-12、SBA-14、SBA-15、SBA-16、FDU-1、MCM-41、MCM-48和MCM-50中的一种,所述酸改性有序介孔SiO2所使用的酸为磷酸或钼杂多酸或钨杂多酸中的一种或二种以上。
3.如权利要求1所述复合高温质子交换膜,其特征在于:所述功能化有序介孔SiO2于所述复合膜中均匀分散,所述复合高温质子交换膜具有更高的保酸能力、保水能力和高温质子传导率以及良好的机械性能。
4.如权利要求1-3任一所述复合高温质子交换膜的制备方法,其特征在于:包括以下步骤,
1)酸改性化有序介孔SiO2的制备:于单口瓶中加入有序介孔SiO2、水和掺杂酸,将盛有混合溶液的单口瓶放入减压装置中,在表压为-0.1至-0.05MPa下静置0.3-1小时,然后在单口瓶上装好冷凝回流装置,并在20-100℃条件下恒温处理1-100小时,过滤、干燥、洗涤得酸改性有序介孔SiO2;
2)PBI-SiO2复合膜的制备:于质量分数为0.1-50wt%的PBI溶液中加入步骤(1)所得酸掺杂的酸改性有序介孔SiO2并搅拌均匀得PBI-SiO2混合铸膜液,将铸膜液铸膜在玻璃基底上,烘干后得PBI-SiO2复合膜;
3)复合高温质子交换膜的制备:将步骤(2)所得PBI-SiO2复合膜置于质量浓度为50-100wt%的磷酸中浸渍处理2小时以上,取出膜后烘干处理得H3PO4/(PBI-SiO2)复合高温质子交换膜。
5.如权利要求4所述复合高温质子交换膜的制备方法,其特征在于:
步骤(1)所述有序介孔SiO2为M-41S、SBA-11、SBA-12、SBA-14、SBA-15、SBA-16、FDU-1、MCM-41、MCM-48和MCM-50中的一种;所述酸改性有序介孔SiO2所掺杂酸为磷酸或钼杂多酸或钨杂多酸;
步骤(1)所述有序介孔SiO2与水的质量比为1:10-1:25;水和掺杂酸的质量5:1-10:1;
步骤(1)所述恒温处理时间较好为10~50h,最好为24~48h。
6.如权利要求4所述复合高温质子交换膜的制备方法,其特征在于:
步骤(2)中PBI溶液中的溶剂为极性溶剂,具体为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、多聚磷酸中的一种或两种以上的混合物;所述铸膜液中酸掺杂的酸改性有序介孔SiO2于PBI溶液中的质量含量为0.0001-15wt%。
7.如权利要求4所述复合高温质子交换膜的制备方法,其特征在于:
步骤(2)所述铸膜方法为涂布法、流延法、旋涂法中的一种,烘干处理温度为0-250℃。
8.如权利要求4所述复合高温质子交换膜的制备方法,其特征在于:
步骤(2)中PBI溶液的质量分数为质量分数较优为1-25wt%,最优为4-15wt%;步骤(2)中所述铸膜液中酸改性有序介孔SiO2于PBI溶液中的质量含量较优为0.001-10wt%,最优为0.01-5wt%;对所述PBI-SiO2复合膜的烘干处理温度较优为40-200℃,最优为60~150℃。
9.如权利要求3所述复合高温质子交换膜的制备方法,其特征在于:
步骤(3)中对PBI-SiO2复合膜进行浸酸处理的磷酸的质量浓度较好为85-100wt%,最好为85-95wt%。
10.如权利要求1-3任一所述复合高温质子交换膜的应用,其特征在于:所述H3PO4/(PBI-SiO2)复合膜为高温燃料电池用质子交换膜。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180619 |
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