CN109193013B - 基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法 - Google Patents

基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109193013B
CN109193013B CN201811067097.2A CN201811067097A CN109193013B CN 109193013 B CN109193013 B CN 109193013B CN 201811067097 A CN201811067097 A CN 201811067097A CN 109193013 B CN109193013 B CN 109193013B
Authority
CN
China
Prior art keywords
kevlar
cdte
phosphoric acid
cadmium telluride
composite
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811067097.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109193013A (zh
Inventor
车全通
段向清
贾婷婷
潘斌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northeastern University China
Original Assignee
Northeastern University China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northeastern University China filed Critical Northeastern University China
Priority to CN201811067097.2A priority Critical patent/CN109193013B/zh
Publication of CN109193013A publication Critical patent/CN109193013A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109193013B publication Critical patent/CN109193013B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1069—Polymeric electrolyte materials characterised by the manufacturing processes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1041—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，涉及质子交换膜电解质的制备技术，具体为一种基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法。将碲化镉纳米晶水溶液喷雾到凯夫拉纤维二甲基亚砜溶液表面，随着水与二甲基亚砜进行溶剂交换，碲化镉纳米晶进入到凯夫拉纤维凝胶内部进行组装，再进行冷冻干燥形成Kevlar/CdTe复合膜，最后浸泡在质量分数为60～100％磷酸溶液中，制备Kevlar/CdTe/(60～100％)PA复合膜。本发明实现将碲化镉纳米晶引入到凯夫拉纤维的胶体结构中并进行冷冻干燥制备具有稳定结构以及良好质子传导能力的复合膜电解质，在燃料电池领域具有潜在应用价值。另外，本发明为利用喷雾技术制备新型复合膜提供新的研究方法和思路。

Description

基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复 合的高温质子交换膜的方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及质子交换膜电解质的制备技术，具体为一种基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法。
背景技术
雾是液体以极细小的液滴分散悬浮在空气中。目前，喷雾法广泛应用于农业生产中。利用喷雾法将液体药剂喷洒成雾滴分散悬浮在空气中，再降落到农作物或其他处理对象上的施药方法。而将喷雾法应用于质子交换膜的制备中，尚未见报道。
质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心组成部件之一，不仅起到传导质子与外电路构成回路，而且还起到阻隔阴、阳极气体直接接触防止发生短路的作用。质子交换膜工作温度的提高将直接决定高温质子交换膜燃料电池的发展以及商用化进程。而发展高温质子交换膜燃料电池可解决困扰传统质子交换膜燃料电池的技术难题，诸如：催化剂易受CO等杂质气体毒化、水、热管理系统复杂以及电流密度较低等，成为当今燃料电池发展的主要方向。根据中科院大连化学物理研究所衣宝廉院士的表述，对质子交换膜的要求主要有以下6点：(1)较高的质子传导率，可以降低电池内阻，减小欧姆过电位以提高电流密度，实现较高的电池效率；(2)气体在膜中的渗透性尽可能小，以免氢气和氧气在对电极表面发生反应，造成电极局部过热，影响电池的库仑效率；(3)膜对氧化、还原和水解具有稳定性，在活性物质氧化/还原和酸性作用下不降解；(4)具有足够高的机械强度和热稳定性，以承受在电池加工和运行中不均匀的机械和热量冲击，从而满足大规模生产的要求；(5)膜的表面性质适于与催化剂结合；(6)适当的性能/价格比。
凯夫拉是一种高性能芳纶纤维，是美国杜邦公司研制的一种芳纶纤维材料产品的商品名，英文简称Kevlar，我国制备的又称芳纶1414。凯夫拉原名为“聚对苯二甲酰对苯二胺”,化学式的重复单位为-[-CO-C6H4-CONH-C6H4-NH-]-。在凯夫拉的分子结构中，酰胺键直接键合在芳香环上，且重复单元酰胺基中的氮原子和羰基均直接与芳香环中的碳原子相连，这种结构赋予其很多优异的性能，比如：高强度、高模量、耐热性、耐化学性、耐冲击、耐腐蚀及阻燃性能等，但是基于凯夫拉纤维制备聚合物膜电解质材料的研究较少。
目前，旋涂法是将凯夫拉纤维制备成膜材料的主要技术方法，具体是将凯夫拉纤维溶解在二甲基亚砜溶剂中，滴加到玻璃基底中，再利用旋涂机旋涂，在玻璃基底上附着一层凯夫拉薄膜，然后浸泡在去离子水中进行溶剂交换，在氢氟酸溶液中腐蚀玻璃表面，最后将脱落的凯夫拉薄膜捞取出后烘干，制备凯夫拉薄膜。但是，对于旋涂法制备凯夫拉膜，不仅用到腐蚀性的氢氟酸，并且制备的凯夫拉膜的纤维结构紧密，难以进行功能化掺杂。另外，在旋涂过程中，大量的原料溶液被甩出，导致原料利用率较低。
发明内容
本发明提供一种利用喷雾技术基于凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶组装复合制备膜电解质的方法，并达到制备具有高质子电导率、良好机械性能以及稳定性的高温质子交换膜的目的。
本发明的技术方案是：
一种基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法，按照以下步骤进行：
(1)向1000mL的具塞试剂瓶加入500mL的二甲基亚砜，1.5～5g凯夫拉纤维，0.9～3g氢氧化钾，搅拌5～9天形成浓度为3～10g/L的凯夫拉纤维均相溶液；
(2)在20～35℃下，在表面皿中加入10mL浓度为3～10g/L的凯夫拉纤维均相溶液；
(3)将15mL的CdTe纳米晶水溶液喷洒在步骤(2)中凯夫拉纤维均相溶液表面，喷雾的速度为0.079～0.143mL/s；
(4)将步骤(3)中的溶液静置3～5天；期间，每12h利用喷雾技术更换CdTe纳米晶水溶液；
(5)将步骤(4)中所得的Kevlar/CdTe凝胶在-30℃至-65℃下冷冻干燥12～24h，形成Kevlar/CdTe复合膜；
(6)在20～35℃下，将Kevlar/CdTe复合膜浸泡在装有质量分数为60～100％磷酸水溶液的具塞容器中48h，得到Kevlar/CdTe/(60～100％)PA复合膜。
所述的基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法，步骤(3)中，CdTe纳米晶的Cd/Te原子比为5：1，CdTe纳米晶水溶液的浓度为0.879g/L。
所述的基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法，步骤(5)中，Kevlar/CdTe复合膜的厚度为0.095mm～0.209mm，CdTe与Kevlar的质量比例为1:(2.3～7.7)。
所述的基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法，步骤(6)中，Kevlar/CdTe/(60～100％)PA复合膜的厚度为0.080mm～0.201mm，磷酸掺杂的质量比例为9.6％～30.8％。
本发明的设计思路是：
利用喷雾技术制备质子交换膜。喷雾技术将液体喷洒成雾滴分散悬浮在空气中，再降落到待处理体系表面的方法。目前，将喷雾法应用于质子交换膜的制备中，尚未见报道。不同于传统的浇筑法和旋涂法会破坏凯夫拉纤维胶体内部空间结构并导致质子电导率下降，本发明采用喷雾法实现碲化镉纳米晶小分子均匀分布到凯夫拉纤维胶体结构中，亦能够保持凯夫拉纤维凝胶表面平整、厚度均匀等特点。另外，传统的溶剂蒸发法可引起样品皱缩，而本发明在制备凯夫拉纤维胶体时采取的是冷冻干燥法，可保持样品的微观结构以及化学结构的完整性。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：
1、本发明利用喷雾技术将凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶进行复合制备成高温质子交换膜电解质的技术方法，基于喷雾技术制备磷酸掺杂的高温复合膜电解质，有利于控制复合膜具有理想的空间结构以及稳定性，制备性能良好的膜电解质材料。相对于凯夫拉纤维制备膜材料的常用方法旋涂法，本发明利用喷雾技术制备的复合膜表面平整，凯夫拉纤维的空间结构未受到影响而保持良好的稳定性，提高吸附无机纳米晶以及磷酸分子的能力，增强复合膜传导质子的能力。
2、本发明将喷雾法引入到膜电解质的开发中是基于喷雾法具有以下优点：装置及工艺简单，对溶液的组成以及物理化学性质几乎没有要求，制备的膜电解质组成稳定等。
3、对于本发明，利用喷雾法将碲化镉纳米晶的水溶液喷洒到凯夫拉的二甲基亚砜溶液中，在进行溶剂交换的同时完成碲化镉纳米晶与凯夫拉纤维的自组装复合，再浸泡在磷酸溶液中制备掺杂磷酸的高温质子交换膜。本发明提出基于喷雾技术制备膜电解质具有理论可行性，制备的膜电解质具有较强的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的Kevlar/CdTe凝胶以及Kevlar/CdTe/PA复合膜的实物图片；其中：(A)Kevlar/CdTe凝胶；(B)Kevlar/CdTe/PA复合膜表面图片；(C)Kevlar/CdTe/PA复合膜与A4纸对比图片。
图2为实施例1制备的Kevlar/CdTe复合膜SU-8010场发射扫描电镜图片；其中：(A)为复合膜表面电镜图片；(B)为复合膜截面电镜图片。
图3为实施例1、实施例3以及实施例5中制备的Kevlar/CdTe/(60～100％)PA复合膜电导率与温度的关系图。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明利用喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法，将15mL浓度为0.879g/L碲化镉纳米晶(CdTe)水溶液喷雾到10mL浓度为3～10g/L凯夫拉纤维(Kevlar)二甲基亚砜溶液表面，随着水与二甲基亚砜进行溶剂交换，碲化镉纳米晶进入到凯夫拉纤维凝胶内部进行组装，达到碲化镉纳米晶在其内部分散均匀的目的，再进行冷冻干燥形成Kevlar/CdTe复合膜，最后将其浸泡在质量分数为60～100％磷酸(PA)溶液中，制备Kevlar/CdTe/PA复合膜。
以下通过实施例和附图对本发明进一步说明。
实施例1
本实施例中，基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法如下：
(1)向1000mL的具塞试剂瓶加入500mL的二甲基亚砜、5g凯夫拉纤维、3g氢氧化钾，搅拌9天形成浓度为10g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(2)在20～35℃下，在表面皿中加入10mL浓度为10g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(3)将15mL的CdTe纳米晶水溶液喷洒在步骤(2)中凯夫拉纤维均相溶液表面，喷雾的速度为0.143mL/s，CdTe纳米晶的Cd/Te原子比为5：1，CdTe纳米晶水溶液的浓度为0.879g/L。
(4)将步骤(3)中的溶液静置3～5天。期间，每12h利用喷雾技术更换CdTe纳米晶水溶液。
(5)将步骤(4)中所得的Kevlar/CdTe凝胶在-30℃下冷冻干燥12h，形成Kevlar/CdTe复合膜，Kevlar/CdTe复合膜的厚度为0.187mm，CdTe与Kevlar的质量比例为1:7.7。
(6)在20～35℃下，将Kevlar/CdTe复合膜浸泡在装有质量分数为85％磷酸水溶液的具塞容器中48h，得到Kevlar/CdTe/85％PA复合膜，Kevlar/CdTe/85％PA复合膜的厚度为0.168mm，磷酸掺杂的质量比例为12.5％。
表1为实施例1制备的Kevlar/CdTe复合膜在不同浓度磷酸水溶液中的质量、面积、厚度增量。
表1
Figure BDA0001798573730000051
通过表1可以看出，复合膜的厚度溶胀数值较小，说明冷冻干燥法实现Kevlar膜空间结构稳定，吸附磷酸后没有导致Kevlar的厚度发生明显增加，这对于高温质子交换膜是有利的。
本发明制备的Kevlar/CdTe凝胶(图1A)以及Kevlar/CdTe/85％PA复合膜的表面(图1B)以及与A4纸对比(图1C)的实物图片展示。根据Kevlar/CdTe复合膜表面以及横截面电子扫描电镜图片可知：Kevlar/CdTe复合膜表面具有均匀且较为平整的结构(图2A)，截面具有较为致密的结构(图2B)，通过将Kevlar/CdTe复合膜浸泡在质量分数85％磷酸溶液中制备Kevlar/CdTe/85％PA复合膜，其具有良好的质子传导能力。
实施例2
本实施例中，基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法如下：
(1)向1000mL的具塞试剂瓶加入500mL的二甲基亚砜、5g凯夫拉纤维、3g氢氧化钾，搅拌9天形成浓度为10g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(2)在20～35℃下，在表面皿中加入10mL浓度为10g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(3)将15mL的CdTe纳米晶水溶液喷洒在步骤(2)中凯夫拉纤维均相溶液表面，喷雾的速度为0.143mL/s，CdTe纳米晶的Cd/Te原子比为5：1，CdTe纳米晶水溶液的浓度为0.879g/L。
(4)将步骤(3)中的溶液静置3～5天。期间，每12h利用喷雾技术更换CdTe纳米晶水溶液。
(5)将步骤(4)中所得的Kevlar/CdTe凝胶在-30℃下冷冻干燥24h，形成Kevlar/CdTe复合膜，Kevlar/CdTe复合膜的厚度为0.191mm，CdTe与Kevlar的质量比例为1:7.7。
(6)在20～35℃下，将Kevlar/CdTe复合膜浸泡在装有质量分数为85％磷酸水溶液的具塞容器中48h，得到Kevlar/CdTe/85％PA复合膜，Kevlar/CdTe/85％PA复合膜的厚度为0.171mm，磷酸掺杂的质量比例为12.8％。
实施例3
本实施例中，基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法如下：
(1)向1000mL的具塞试剂瓶加入500mL的二甲基亚砜、5g凯夫拉纤维、3g氢氧化钾，搅拌9天形成浓度为10g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(2)在20～35℃下，在表面皿中加入10mL浓度为10g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(3)将15mL的CdTe纳米晶水溶液喷洒在步骤(2)中凯夫拉纤维均相溶液表面，喷雾的速度为0.143mL/s，CdTe纳米晶的Cd/Te原子比为5：1，CdTe纳米晶水溶液的浓度为0.879g/L。
(4)将步骤(3)中的溶液静置3～5天。期间，每12h利用喷雾技术更换CdTe纳米晶水溶液。
(5)将步骤(4)中所得的Kevlar/CdTe凝胶在-30℃下冷冻干燥12h，形成Kevlar/CdTe复合膜，Kevlar/CdTe复合膜的厚度为0.209mm，CdTe与Kevlar的质量比例为1:7.7。
(6)在20～35℃下，将Kevlar/CdTe复合膜浸泡在装有质量分数为100％磷酸水溶液的具塞容器中48h，得到Kevlar/CdTe/100％PA复合膜，Kevlar/CdTe/100％PA复合膜的厚度为0.201mm，磷酸掺杂的质量比例为20.2％。
实施例4
本实施例中，基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法如下：
(1)向1000mL的具塞试剂瓶加入500mL的二甲基亚砜、5g凯夫拉纤维、3g氢氧化钾，搅拌9天形成浓度为10g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(2)在20～35℃下，在表面皿中加入10mL浓度为10g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(3)将15mL的CdTe纳米晶水溶液喷洒在步骤(2)中凯夫拉纤维均相溶液表面，喷雾的速度为0.143mL/s，CdTe纳米晶的Cd/Te原子比为5：1，CdTe纳米晶水溶液的浓度为0.879g/L。
(4)将步骤(3)中的溶液静置3～5天。期间，每12h利用喷雾技术更换CdTe纳米晶水溶液。
(5)将步骤(4)中所得的Kevlar/CdTe凝胶在-30℃下冷冻干燥24h，形成Kevlar/CdTe复合膜，Kevlar/CdTe复合膜的厚度为0.179mm，CdTe与Kevlar的质量比例为1:7.7。
(6)在20～35℃下，将Kevlar/CdTe复合膜浸泡在装有质量分数为100％磷酸水溶液的具塞容器中48h，得到Kevlar/CdTe/100％PA复合膜，Kevlar/CdTe/100％PA复合膜的厚度为0.172mm，磷酸掺杂的质量比例为19.1％。
实施例5
本实施例中，基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法如下：
(1)向1000mL的具塞试剂瓶加入500mL的二甲基亚砜、5g凯夫拉纤维、3g氢氧化钾，搅拌9天形成浓度为10g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(2)在20～35℃下，在表面皿中加入10mL浓度为10g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(3)将15mL的CdTe纳米晶水溶液喷洒在步骤(2)中凯夫拉纤维均相溶液表面，喷雾的速度为0.143mL/s，CdTe纳米晶的Cd/Te原子比为5：1，CdTe纳米晶水溶液的浓度为0.879g/L。
(4)将步骤(3)中的溶液静置3～5天。期间，每12h利用喷雾技术更换CdTe纳米晶水溶液。
(5)将步骤(4)中所得的Kevlar/CdTe凝胶在-30℃下冷冻干燥12h，形成Kevlar/CdTe复合膜，Kevlar/CdTe复合膜的厚度为0.206mm，CdTe与Kevlar的质量比例为1:7.7。
(6)在20～35℃下，将Kevlar/CdTe复合膜浸泡在装有质量分数为60％磷酸水溶液的具塞容器中48h，得到Kevlar/CdTe/60％PA复合膜，Kevlar/CdTe/60％PA复合膜的厚度为0.183mm，磷酸掺杂的质量比例为30.8％。
如图3所示，实施例1、实施例3以及实施例5中制备的Kevlar/CdTe/(60～100％)PA复合膜电导率。由图3可知，在170℃不加湿条件下，Kevlar/CdTe/85％PA复合膜的质子电导率达到0.043S/cm。
实施例6
本实施例中，基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法如下：
(1)向1000mL的具塞试剂瓶加入500mL的二甲基亚砜、5g凯夫拉纤维、3g氢氧化钾，搅拌9天形成浓度为10g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(2)在20～35℃下，在表面皿中加入10mL浓度为10g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(3)将15mL的CdTe纳米晶水溶液喷洒在步骤(2)中凯夫拉纤维均相溶液表面，喷雾的速度为0.143mL/s，CdTe纳米晶的Cd/Te原子比为5：1，CdTe纳米晶水溶液的浓度为0.879g/L。
(4)将步骤(3)中的溶液静置3～5天。期间，每12h利用喷雾技术更换CdTe纳米晶水溶液。
(5)将步骤(4)中所得的Kevlar/CdTe凝胶在-30℃下冷冻干燥24h，形成Kevlar/CdTe复合膜，Kevlar/CdTe复合膜的厚度为0.185mm，CdTe与Kevlar的质量比例为1:7.7。
(6)在20～35℃下，将Kevlar/CdTe复合膜浸泡在装有质量分数为60％磷酸水溶液的具塞容器中48h，得到Kevlar/CdTe/60％PA复合膜，Kevlar/CdTe/60％PA复合膜的厚度为0.163mm，磷酸掺杂的质量比例为28.7％。
实施例7
本实施例中，基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法如下：
(1)向1000mL的具塞试剂瓶加入500mL的二甲基亚砜、5g凯夫拉纤维、3g氢氧化钾，搅拌9天形成浓度为10g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(2)在20～35℃下，在表面皿中加入10mL浓度为10g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(3)将15mL的CdTe纳米晶水溶液喷洒在步骤(2)中凯夫拉纤维均相溶液表面，喷雾的速度为0.079mL/s，CdTe纳米晶的Cd/Te原子比为5：1，CdTe纳米晶水溶液的浓度为0.879g/L。
(4)将步骤(3)中的溶液静置3～5天。期间，每12h利用喷雾技术更换CdTe纳米晶水溶液。
(5)将步骤(4)中所得的Kevlar/CdTe凝胶在-30℃下冷冻干燥12h，形成Kevlar/CdTe复合膜，Kevlar/CdTe复合膜的厚度为0.186mm，CdTe与Kevlar的质量比例为1:7.7。
(6)在20～35℃下，将Kevlar/CdTe复合膜浸泡在装有质量分数为85％磷酸水溶液的具塞容器中48h，得到Kevlar/CdTe/85％PA复合膜，Kevlar/CdTe/85％PA复合膜的厚度为0.173mm，磷酸掺杂的质量比例为12.2％。
实施例8
本实施例中，基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法如下：
(1)向1000mL的具塞试剂瓶加入500mL的二甲基亚砜、5g凯夫拉纤维、1.5g氢氧化钾，搅拌5天形成浓度为5g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(2)在20～35℃下，在表面皿中加入10mL浓度为5g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(3)将15mL的CdTe纳米晶水溶液喷洒在步骤(2)中凯夫拉纤维均相溶液表面，喷雾的速度为0.143mL/s，CdTe纳米晶的Cd/Te原子比为5：1，CdTe纳米晶水溶液的浓度为0.879g/L。
(4)将步骤(3)中的溶液静置3～5天。期间，每12h利用喷雾技术更换CdTe纳米晶水溶液。
(5)将步骤(4)中所得的Kevlar/CdTe凝胶在-30℃下冷冻干燥12h，形成Kevlar/CdTe复合膜，Kevlar/CdTe复合膜的厚度为0.149mm，CdTe与Kevlar的质量比例为1:3.8。
(6)在20～35℃下，将Kevlar/CdTe复合膜浸泡在装有质量分数为85％磷酸水溶液的具塞容器中48h，得到Kevlar/CdTe/85％PA复合膜，Kevlar/CdTe/85％PA复合膜的厚度为0.136mm，磷酸掺杂的质量比例为10.1％。
实施例9
本实施例中，基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法如下：
(1)向1000mL的具塞试剂瓶加入500mL的二甲基亚砜、5g凯夫拉纤维、1.5g氢氧化钾，搅拌5天形成浓度为5g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(2)在20～35℃下，在表面皿中加入10mL浓度为5g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(3)将15mL的CdTe纳米晶水溶液喷洒在步骤(2)中凯夫拉纤维均相溶液表面，喷雾的速度为0.143mL/s，CdTe纳米晶的Cd/Te原子比为5：1，CdTe纳米晶水溶液的浓度为0.879g/L。
(4)将步骤(3)中的溶液静置3～5天。期间，每12h利用喷雾技术更换CdTe纳米晶水溶液。
(5)将步骤(4)中所得的Kevlar/CdTe凝胶在-30℃下冷冻干燥24h，形成Kevlar/CdTe复合膜，Kevlar/CdTe复合膜的厚度为0.144mm，CdTe与Kevlar的质量比例为1:3.8。
(6)在20～35℃下，将Kevlar/CdTe复合膜浸泡在装有质量分数为85％磷酸水溶液的具塞容器中48h，得到Kevlar/CdTe/85％PA复合膜，Kevlar/CdTe/85％PA复合膜的厚度为0.129mm，磷酸掺杂的质量比例为9.6％。
实施例10
本实施例中，基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法如下：
(1)向1000mL的具塞试剂瓶加入500mL的二甲基亚砜、5g凯夫拉纤维、1.5g氢氧化钾，搅拌5天形成浓度为5g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(2)在20～35℃下，在表面皿中加入10mL浓度为5g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(3)将15mL的CdTe纳米晶水溶液喷洒在步骤(2)中凯夫拉纤维均相溶液表面，喷雾的速度为0.143mL/s，CdTe纳米晶的Cd/Te原子比为5：1，CdTe纳米晶水溶液的浓度为0.879g/L。
(4)将步骤(3)中的溶液静置3～5天。期间，每12h利用喷雾技术更换CdTe纳米晶水溶液。
(5)将步骤(4)中所得的Kevlar/CdTe凝胶在-30℃下冷冻干燥12h，形成Kevlar/CdTe复合膜，Kevlar/CdTe复合膜的厚度为0.149mm，CdTe与Kevlar的质量比例为1:3.8。
(6)在20～35℃下，将Kevlar/CdTe复合膜浸泡在装有质量分数为60％磷酸水溶液的具塞容器中48h，得到Kevlar/CdTe/60％PA复合膜，Kevlar/CdTe/60％PA复合膜的厚度为0.134mm，磷酸掺杂的质量比例为26.1％。
实施例11
本实施例中，基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法如下：
(1)向1000mL的具塞试剂瓶加入500mL的二甲基亚砜、5g凯夫拉纤维、1.5g氢氧化钾，搅拌5天形成浓度为5g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(2)在20～35℃下，在表面皿中加入10mL浓度为5g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(3)将15mL的CdTe纳米晶水溶液喷洒在步骤(2)中凯夫拉纤维均相溶液表面，喷雾的速度为0.079mL/s，CdTe纳米晶的Cd/Te原子比为5：1，CdTe纳米晶水溶液的浓度为0.879g/L。
(4)将步骤(3)中的溶液静置3～5天。期间，每12h利用喷雾技术更换CdTe纳米晶水溶液。
(5)将步骤(4)中所得的Kevlar/CdTe凝胶在-30℃下冷冻干燥24h，形成Kevlar/CdTe复合膜，Kevlar/CdTe复合膜的厚度为0.151mm，CdTe与Kevlar的质量比例为1:3.8。
(6)在20～35℃下，将Kevlar/CdTe复合膜浸泡在装有质量分数为60％磷酸水溶液的具塞容器中48h，得到Kevlar/CdTe/60％PA复合膜，Kevlar/CdTe/60％PA复合膜的厚度为0.135mm，磷酸掺杂的质量比例为26.7％。
实施例12
本实施例中，基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法如下：
(1)向1000mL的具塞试剂瓶加入500mL的二甲基亚砜、1.5g凯夫拉纤维、0.9g氢氧化钾，搅拌3天形成浓度为3g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(2)在20～35℃下，在表面皿中加入10mL浓度为3g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(3)将15mL的CdTe纳米晶水溶液喷洒在步骤(2)中凯夫拉纤维均相溶液表面，喷雾的速度为0.079mL/s，CdTe纳米晶的Cd/Te原子比为5：1，CdTe纳米晶水溶液的浓度为0.879g/L。
(4)将步骤(3)中的溶液静置3～5天。期间，每12h利用喷雾技术更换CdTe纳米晶水溶液。
(5)将步骤(4)中所得的Kevlar/CdTe凝胶在-30℃下冷冻干燥12h，形成Kevlar/CdTe复合膜，Kevlar/CdTe复合膜的厚度为0.095mm，CdTe与Kevlar的质量比例为1:2.3。
(6)在20～35℃下，将Kevlar/CdTe复合膜浸泡在装有质量分数为85％磷酸水溶液的具塞容器中48h，得到Kevlar/CdTe/85％PA复合膜，Kevlar/CdTe/85％PA复合膜的厚度为0.086mm，磷酸掺杂的质量比例为10.5％。
实施例13
本实施例中，基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法如下：
(1)向1000mL的具塞试剂瓶加入500mL的二甲基亚砜、1.5g凯夫拉纤维、0.9g氢氧化钾，搅拌3天形成浓度为3g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(2)在20～35℃下，在表面皿中加入10mL浓度为3g/L的凯夫拉纤维均相溶液。
(3)将15mL的CdTe纳米晶水溶液喷洒在步骤(2)中凯夫拉纤维均相溶液表面，喷雾的速度为0.079mL/s，CdTe纳米晶的Cd/Te原子比为5：1，CdTe纳米晶水溶液的浓度为0.879g/L。
(4)将步骤(3)中的溶液静置3～5天。期间，每12h利用喷雾技术更换CdTe纳米晶水溶液。
(5)将步骤(4)中所得的Kevlar/CdTe凝胶在-65℃下冷冻干燥12h，形成Kevlar/CdTe复合膜，Kevlar/CdTe复合膜的厚度为0.095mm，CdTe与Kevlar的质量比例为1:2.3。
(6)在20～35℃下，将Kevlar/CdTe复合膜浸泡在装有质量分数为60％磷酸水溶液的具塞容器中48h，得到Kevlar/CdTe/60％PA复合膜，Kevlar/CdTe/60％PA复合膜的厚度为0.080mm，磷酸掺杂的质量比例为24.5％。
实施例结果表明，本发明实现将碲化镉纳米晶引入到凯夫拉纤维的胶体结构中并进行冷冻干燥制备具有稳定结构以及良好质子传导能力的复合膜电解质，在燃料电池领域具有潜在应用价值。另外，本发明为利用喷雾技术制备新型复合膜提供新的研究方法和思路。

Claims (4)

1.一种基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
(1)向1000mL的具塞试剂瓶加入500mL的二甲基亚砜，1.5～5g凯夫拉纤维，0.9～3g氢氧化钾，搅拌5～9天形成浓度为3～10g/L的凯夫拉纤维均相溶液；
(2)在20～35℃下，在表面皿中加入10mL浓度为3～10g/L的凯夫拉纤维均相溶液；
(3)将15mL的CdTe纳米晶水溶液喷洒在步骤(2)中凯夫拉纤维均相溶液表面，喷雾的速度为0.079～0.143mL/s；
(4)将步骤(3)中的溶液静置3～5天；期间，每12h利用喷雾技术更换CdTe纳米晶水溶液；
(5)将步骤(4)中所得的Kevlar/CdTe凝胶在-30℃至-65℃下冷冻干燥12～24h，形成Kevlar/CdTe复合膜，CdTe与Kevlar的质量比例为1:(2.3～7.7)；
(6)在20～35℃下，将Kevlar/CdTe复合膜浸泡在装有质量分数为60～100％磷酸水溶液的具塞容器中48h，得到Kevlar/CdTe/(60～100％)PA复合膜，磷酸掺杂的质量比例为9.6％～30.8％。
2.根据权利要求1所述的基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法，其特征在于，步骤(3)中，CdTe纳米晶的Cd/Te原子比为5：1，CdTe纳米晶水溶液的浓度为0.879g/L。
3.根据权利要求1所述的基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法，其特征在于，步骤(5)中，Kevlar/CdTe复合膜的厚度为0.095mm～0.209mm。
4.根据权利要求1所述的基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法，其特征在于，步骤(6)中，Kevlar/CdTe/(60～100％)PA复合膜的厚度为0.080mm～0.201mm。
CN201811067097.2A 2018-09-13 2018-09-13 基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法 Active CN109193013B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811067097.2A CN109193013B (zh) 2018-09-13 2018-09-13 基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811067097.2A CN109193013B (zh) 2018-09-13 2018-09-13 基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109193013A CN109193013A (zh) 2019-01-11
CN109193013B true CN109193013B (zh) 2021-10-01

Family

ID=64910663

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811067097.2A Active CN109193013B (zh) 2018-09-13 2018-09-13 基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109193013B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110556559B (zh) * 2019-09-16 2022-06-14 东北大学 基于真空辅助絮凝技术制备层状结构低温质子交换膜方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007038597A2 (en) * 2005-09-28 2007-04-05 North Carolina State University High modulus polyamide fibers
CN104548968B (zh) * 2014-12-25 2017-01-04 中科院广州化学有限公司 一种Kevlar纳米纤维复合正渗透膜及其制备方法与应用
CN106654126A (zh) * 2016-10-11 2017-05-10 天津工业大学 一种锂硫电池隔膜及其制备方法
CN108258290B (zh) * 2018-01-31 2020-04-03 东北大学 磷酸掺杂的基于旋涂技术制备具有层层组装结构的高温质子交换膜方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109193013A (zh) 2019-01-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100384001C (zh) 直接喷涂制备燃料电池膜电极的方法
CN108258290B (zh) 磷酸掺杂的基于旋涂技术制备具有层层组装结构的高温质子交换膜方法
CN108878993A (zh) 一种减缓质子交换膜电化学降解的方法
CN102468494B (zh) 一种全钒液流电池电极及其制备方法，以及全钒液流电池
US8574785B2 (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell with binder layer having inorganic additive and fuel cell system using the same
JP2012216552A (ja) 燃料電池構成要素の改良に基づく溶液および他の電気化学システムおよびデバイス。
Sun et al. Fabrication and performance test of a catalyst-coated membrane from direct spray deposition
CN109810435B (zh) 一种磷酸掺杂氧化石墨烯及聚偏氟乙烯复合膜的制备方法
US11688873B2 (en) Fuel cells incorporating silica fibers
CN102738477B (zh) 基于3维质子导体的有序化单电极和膜电极及制备方法
Huang et al. Development of gas diffusion electrodes for low relative humidity proton exchange membrane fuel cells
CN112259724A (zh) 复合正极材料及其制备方法、锂电池正极材料及锂电池
CN1637044A (zh) 制备聚（2，5－苯并咪唑）的方法
CN114373917A (zh) 一种钠离子电池正极复合材料及其制备方法与应用
CN109193013B (zh) 基于喷雾技术制备磷酸掺杂的凯夫拉纤维与碲化镉纳米晶复合的高温质子交换膜的方法
CN108198701A (zh) 一种四氧化三钴/碳复合电极材料、制备方法及其应用
CN102738478B (zh) 基于3维质子导体的单电极和燃料电池膜电极及制备方法
CN111584879B (zh) 气体扩散层、其制备方法、以及相应的膜电极组件以及燃料电池
WO2021128770A1 (zh) 一种精氨酸改性的质子交换膜及其制备方法
WO2006054672A1 (ja) 伝導性薄膜形成性のプロトン伝導性組成物及びプロトン伝導性複合膜
JP2004192808A (ja) プロトン伝導体及びその製造方法、並びに電気化学デバイス
CN114874475B (zh) 一种基于中空聚多巴胺的自增湿质子交换膜及其制备方法与应用
CN108281300B (zh) 一种石墨烯包覆的氮掺杂钛酸锂微纳球的制备方法
CN100479242C (zh) 一种保水组分均匀分散的复合质子交换膜的制备方法
CN110620253B (zh) 一种利用旋涂技术基于磺化氧化石墨烯制备非水质子交换膜的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant