CN116053545A - 一种聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜及其制备方法和应用 - Google Patents

一种聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN116053545A
CN116053545A CN202310072940.0A CN202310072940A CN116053545A CN 116053545 A CN116053545 A CN 116053545A CN 202310072940 A CN202310072940 A CN 202310072940A CN 116053545 A CN116053545 A CN 116053545A
Authority
CN
China
Prior art keywords
proton exchange
polytetrafluoroethylene
exchange membrane
membrane
composite proton
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.)
Pending
Application number
CN202310072940.0A
Other languages
English (en)
Inventor
代宇
张东彬
刘天豪
滕艾均
尹翔鹭
曾泽华
高荣荣
彭显著
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.)
Ansteel Beijing Research Institute
Original Assignee
Ansteel Beijing Research Institute
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 Ansteel Beijing Research Institute filed Critical Ansteel Beijing Research Institute
Priority to CN202310072940.0A priority Critical patent/CN116053545A/zh
Publication of CN116053545A publication Critical patent/CN116053545A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1069Polymeric electrolyte materials characterised by the manufacturing processes
    • H01M8/1086After-treatment of the membrane other than by polymerisation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1041Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
    • H01M8/1044Mixtures of polymers, of which at least one is ionically conductive
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1067Polymeric electrolyte materials characterised by their physical properties, e.g. porosity, ionic conductivity or thickness
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1069Polymeric electrolyte materials characterised by the manufacturing processes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)

Abstract

本发明属于全钒液流电池技术领域,具体涉及一种聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜及其制备方法。将经过清洗浸泡后的聚四氟乙烯膜浸泡在溶解有聚氯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮的混合溶液中,以聚乙烯吡咯烷酮作为质子交换膜中质子传导的聚合物,聚氯乙烯作为质子交换膜的支撑材料,二者共混后填充到多孔聚四氟乙烯膜中。制备方法操作简单、成本低、毒性低、环保且效率高,易于规模化生产,适合工业化的推广应用。

Description

一种聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于全钒液流电池技术领域,具体涉及一种聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜及其制备方法。
背景技术
全钒液流电池,具有安全性高、循环寿命长、响应速度快等特点,非常适合大规模储能的需求。在全钒液流电池系统中,电解液分别存储在正负极储罐内,通过循环泵在电堆和电解液储罐间循环流动,并在电极表面发生氧化还原反应,实现电能的存储与释放。
质子交换膜(PEM)是全帆液流电池(VRFB)的核心部件,起着传递质子以及阻隔阳极和阴极两室的作用。所以理想的PEM需要满足较高的电导率,良好的机械性能和较低的钒离子透过率等要求。
发明内容
本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的:
目前已经商业化的PEM膜很少可以达到理想PEM膜的要求,全氟磺酸离子交换膜(Nafion膜)是目前应用最广泛的商业膜。但Nafion膜昂贵的价格和高的钒离子透过率制约了其更广泛的商业化应用。因此研究如何制备价格相对低廉,并且具有良好的质子电导率,同时拥有良好的机械性能和阻钒性能等,已成为促进VRFB进一步发展的关键问题。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此,本发明的实施例提出一种聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜的制备方法。
本发明实施例的一种聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将聚四氟乙烯膜浸泡在第一溶剂中;
(2)将聚氯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮溶解在第二溶剂中,得到混合溶液;
(3)经所述第一溶剂中的聚四氟乙烯膜取出之后浸泡在所述步骤(2)得到的混合溶液中;
(4)将所述步骤(3)浸泡后得到的复合质子交换膜取出固定于模具上,并进行干燥。
本发明实施例的聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜的制备方法带来的优点和技术效果,1、本发明实施例的方法,将经过清洗浸泡后的聚四氟乙烯膜浸泡在溶解有聚氯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮的混合溶液中,以聚乙烯吡咯烷酮作为质子交换膜中质子传导的聚合物,聚氯乙烯作为质子交换膜的支撑材料,二者共混后填充到多孔聚四氟乙烯膜中,聚氯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮能够充分填充入聚四氟乙烯膜中,形成均匀、性能优异的复合膜;2、本发明实施例的方法,工艺简单、成本低、低毒性、环保及效率高,易于规模化生产,适合工业化的推广应用;3、本发明实施例中,由于聚四氟乙烯膜的拉伸强度以及柔性都非常的优异,聚四氟乙烯膜增强制备的复合质子交换膜在保证质子传导的同时还可以拥有较好的机械强度和较低的钒离子透过率,有利于其在全钒液流电池领域中的广泛应用。
在一些实施例中,步骤(2)中,所述聚氯乙烯与聚乙烯吡咯烷酮的质量比1:4~1.5:1。
在一些实施例中,步骤(2)中,所述混合溶液中聚氯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮的总浓度为0.10~0.15g mL-1
在一些实施例中,所述第一溶剂选自异丙醇、无水乙醇中的至少一种,第二溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
在一些实施例中,步骤(3)中,在所述混合溶液中的浸泡时间不少于24h。
在一些实施例中,步骤(1)中,所述聚四氟乙烯膜浸泡前,将聚四氟乙烯膜用无水乙醇和丙酮交替进行清洗。
在一些实施例中,步骤(1)中,在所述第一溶剂中的浸泡时间不少于24h。
在一些实施例中,所述聚四氟乙烯膜的孔隙率为70~90%,平均孔径直径为0.10~0.20μm,厚度小于30μm。
本申请的实施例还提供了一种聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜,采用上述方法制得。本发明实施例的聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜,聚氯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮能够充分地填充入聚四氟乙烯膜中,形成均匀、性能优异的复合膜,由于聚四氟乙烯膜拉伸强度以及柔性都非常的优异,聚四氟乙烯膜增强制备的复合质子交换膜在保证质子传导的同时还可以拥有较好的机械性能和较低的钒离子透过率,有利于其在全钒液流电池领域中的广泛应用。
本发明实施例还提供了一种聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜在全钒液流电池技术领域的应用。
附图说明
图1为实施例1-实施例8中聚四氟乙烯膜增强的聚氯乙烯与聚乙烯吡咯烷酮复合质子交换膜的制备流程图;
图2(a)为聚四氟乙烯膜的照片,(b)为实施例1中聚四氟乙烯膜增强的聚氯乙烯与聚乙烯吡咯烷酮复合质子交换膜的照片。
图3(a)为聚四氟乙烯膜表面的场发射扫描电子显微镜图;(b)为对比例1制得的膜表面的场发射扫描电子显微镜图;(c)为实施例1制得的复合质子交换膜表面的场发射扫描电子显微镜图;(d)为实施例1制得的复合质子交换膜截面的场发射扫描电子显微镜图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
本发明的一种聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜的制备方法,包括以下步骤:
(1)将聚四氟乙烯膜(
Figure BDA0004065314600000031
膜)浸泡在第一溶剂中;
(2)将聚氯乙烯(PVC)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解在第二溶剂中,得到混合溶液;
(3)经所述第一溶剂中的
Figure BDA0004065314600000032
膜取出之后浸泡在所述步骤(2)得到的混合溶液中;
(4)将所述步骤(3)浸泡后得到的复合质子交换膜取出固定于模具上,并进行干燥。
本发明实施例的聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜,将经过清洗浸泡后的聚四氟乙烯膜浸泡在溶解有聚氯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮的混合溶液中,以聚乙烯吡咯烷酮作为质子交换膜中质子传导的聚合物,聚氯乙烯作为质子交换膜的支撑材料,二者共混后填充到多孔聚四氟乙烯膜中,聚氯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮能够充分填充入聚四氟乙烯膜中,形成均匀、性能优异的复合膜;本发明实施例的方法,制备方法工艺简单、成本低、低毒性、环保且效率高,易于规模化生产,适合工业化的推广应用;由于
Figure BDA0004065314600000033
膜的拉伸强度以及柔性都非常的优异,
Figure BDA0004065314600000034
膜增强制备的复合质子交换膜在保证质子传导的同时还可以拥有较好的机械强度和较低的钒离子透过率,有利于其在全钒液流电池领域中的广泛应用。
在一些实施例中,优选地,步骤(2)中,所述PVC与PVP的质量比1:4~1.5:1,例如1:4、1:3、1:2、1:1、1.5:1等,优选为1:4-1:1,更优选为1:4-1:2。进一步优选地,所述PVC的分子量为80kDa,PVP的分子量为130kDa。本发明实施例中,优选了PVC与PVP的质量比1:4~1.5:1,在该比例范围内钒液流电池具有较好的成膜性能以及良好的质子电导率。当PVC:PVP小于1:4时,膜太软呈凝胶状,不利于成膜。当PVC:PVP大于1.5:1时,膜材料质子电导率较低。在该质子交换膜中PVP作为质子交换膜中质子传导的聚合物,PVC作为质子交换膜的支撑材料,合适的分子量能够使其更好的发挥各自的作用。
在一些实施例中,优选地,步骤(2)中,所述混合溶液中聚氯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮的总浓度为0.10~0.15g mL-1。进一步优选地,所述混合溶液中聚氯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮的总浓度为0.12g mL-1。本发明实施例中优选混合溶液的总浓度为0.12g mL-1,当浓度较低时,PVP&PVC填充到
Figure BDA0004065314600000035
膜中的填充量较低,溶剂蒸发会形成孔洞。当浓度过高,粘度太大,填充效果不好,且成膜太厚。
在一些实施例中,优选地,所述第一溶剂选自异丙醇、无水乙醇中的至少一种,所述第二溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAC)、二甲基亚砜(DMSO)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的至少一种。进一步优选地,所述第一溶剂为无水乙醇;所述第二溶剂为DMF。本发明实施例中,优选第一溶剂为无水乙醇,有效增强了
Figure BDA0004065314600000041
膜与PVP和PVC的DMF溶液的相容性,并且,无水乙醇无毒无害,在实际使用过程中更加环保;第二溶剂为DMF能使PVC粉末和PVP粉末具有更优异的成膜性能。
在一些实施例中,优选地,步骤(3)中,在所述混合溶液中的浸泡时间不少于24h。本发明实施例中,将
Figure BDA0004065314600000042
膜在PVC&PVP的DMF溶液中浸泡24h之后,能将PVP&PVC溶质充分填充到
Figure BDA0004065314600000043
膜的孔隙中。
在一些实施例中,优选地,步骤(1)中,所述
Figure BDA0004065314600000044
膜浸泡前,将
Figure BDA0004065314600000045
膜裁剪后用无水乙醇和丙酮交替进行清洗同时放入超声清洗仪中清洗。进一步优选地,在所述第一溶剂中的浸泡时间不少于24h。本发明实施例中,将
Figure BDA0004065314600000046
膜浸渍于乙醇和丙酮中清洗,能够洗掉
Figure BDA0004065314600000047
膜表面的杂质及油污。将
Figure BDA0004065314600000048
膜在第一溶剂中浸泡不少于24h,能够排出
Figure BDA0004065314600000049
膜中的空气并起到润湿
Figure BDA00040653146000000410
膜的作用。
在一些实施例中,优选地,所述
Figure BDA00040653146000000411
膜的孔隙率为70~90%,平均孔径直径为0.10~0.20μm,厚度小于30μm。进一步优选地,所述
Figure BDA00040653146000000412
膜的孔隙率为80%,平均孔径直径为0.15μm,厚度为10μm。本发明实施例中,优选
Figure BDA00040653146000000413
膜的孔隙率、平均孔径和厚度,能够使PVC&PVP填充的更加均匀。当
Figure BDA00040653146000000414
膜厚度大于30μm时制备出来的质子交换膜容易出现填充不满、不均匀的现象。
在一些实施例中,优选地,步骤(4)中,所述干燥是将模具和复合质子交换膜一同转移到60~80℃的台式电热烘箱中进行,并且用手术刀将干燥完的膜从模具上切割下来备用。
在一些实施例中,优选地,还包括将所述步骤(4)得到的复合质子交换膜用去离子水进行清洗。本发明实施例中,用去离子水进行清洗,可以去除复合质子交换膜中的杂质以及残留的有机试剂。
本发明的实施例还提供了一种聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜,采用上述的方法制得。本发明的实施例中,聚氯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮能够充分地填充入聚四氟乙烯膜中,形成均匀、性能优异的复合膜,由于
Figure BDA00040653146000000415
拉伸强度以及柔性都非常的优异,
Figure BDA00040653146000000416
增强制备的复合质子交换膜在保证质子传导的同时还可以拥有较好的机械性能和较低的钒离子透过率,有利于其在全钒液流电池领域中的广泛应用。
本发明的实施例还提供了一种聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜在全钒液流电池中的应用。
下面结合具体的实施例对本发明进一步解释说明。
实施例1
Figure BDA0004065314600000051
膜裁剪成12cm×12cm的矩形,再将
Figure BDA0004065314600000052
膜浸泡于200mL的无水乙醇中,再将其放入超声震荡仪中超声震荡清洗1h。用镊子将经过超声清洗的
Figure BDA0004065314600000053
膜从无水乙醇中取出放入200mL的丙酮溶液中,再将其放入超声震荡仪中超声震荡清洗1h,如此,利用无水乙醇和丙酮交替清洗3次。为了增加
Figure BDA0004065314600000054
膜与PVP&PVC的DMF溶液的相容性,将清洗干净的
Figure BDA0004065314600000055
膜浸泡在无水乙醇中备用,并且浸泡时间不少于48h。
取质量为2.4g的PVP,质量为0.6g的PVC,以及体积为25mL的DMF,配制成浓度为0.12g mL-1的PVP&PVC的DMF溶液(PVP:PVC=4:1,质量比)。将浸润了无水乙醇的
Figure BDA0004065314600000056
膜取出浸泡于PVP&PVC的DMF溶液中,浸泡时间不少于48h。
将上述浸渍了PVP&PVC溶液的
Figure BDA0004065314600000057
增强的复合质子交换膜取出并铺展在玻璃模具框架上,然后在80℃的烘箱中烘干。
Figure BDA0004065314600000058
增强的复合质子交换膜厚度约为20μm,其制备的流程如图1所示。
图2(a)为
Figure BDA0004065314600000059
膜的实物照片,是非透明的白色膜;图2(b)为本实施例制得的复合质子交换膜的实物照片,均一透明。
实施例2
Figure BDA00040653146000000510
膜裁剪成12cm×12cm的矩形,再将
Figure BDA00040653146000000511
膜浸泡于200mL的无水乙醇中,再将其放入超声震荡仪中超声震荡清洗1h。用镊子将经过超声清洗的
Figure BDA00040653146000000512
膜从无水乙醇中取出放入200mL的丙酮溶液中,再将其放入超声震荡仪中超声震荡清洗1h,如此,利用无水乙醇和丙酮交替清洗3次。为了增加
Figure BDA00040653146000000513
膜与PVP&PVC的DMF溶液的相容性,将清洗干净的
Figure BDA00040653146000000514
膜浸泡在无水乙醇中备用,并且浸泡时间不少于48h。
取质量为2.25g的PVP,质量为0.75g的PVC,以及体积为25mL的DMF,配制成浓度为0.12g mL-1的PVP&PVC的DMF溶液(PVP:PVC=3:1,质量比)。将浸润了无水乙醇的
Figure BDA00040653146000000515
膜取出浸泡于PVP&PVC的DMF溶液中,浸泡时间不少于48h。
将上述浸渍了PVP&PVC溶液的
Figure BDA00040653146000000516
增强的复合质子交换膜取出并铺展在玻璃模具框架上,然后在60℃的烘箱中烘干。
Figure BDA00040653146000000517
增强的复合质子交换膜厚度约为20μm。
实施例3
Figure BDA00040653146000000518
膜裁剪成12cm×12cm的矩形,再将
Figure BDA00040653146000000519
膜浸泡于200mL的无水乙醇中,再将其放入超声震荡仪中超声震荡清洗1h。用镊子将经过超声清洗的
Figure BDA00040653146000000520
膜从无水乙醇中取出放入200mL的丙酮溶液中,再将其放入超声震荡仪中超声震荡清洗1h,如此,利用无水乙醇和丙酮交替清洗3次。为了增加
Figure BDA00040653146000000521
膜与PVP&PVC的DMF溶液的相容性,将清洗干净的
Figure BDA00040653146000000522
膜浸泡在无水乙醇中备用,并且浸泡时间不少于48h。
取质量为2.0g的PVP,质量为1.0g的PVC,以及体积为25mL的DMF,配制成浓度为0.12g mL-1的PVP&PVC的DMF溶液(PVP:PVC=2:1,质量比)。将浸润了无水乙醇的
Figure BDA0004065314600000061
膜取出浸泡于PVP&PVC的DMF溶液中,浸泡时间不少于48h。
将上述浸渍了PVP&PVC溶液的
Figure BDA0004065314600000062
增强的复合质子交换膜取出并铺展在玻璃模具框架上,然后在60℃的烘箱中烘干,
Figure BDA0004065314600000063
增强的复合质子交换膜厚度约为20μm。
实施例4
Figure BDA0004065314600000064
膜裁剪成12cm×12cm的矩形,再将
Figure BDA0004065314600000065
膜浸泡于200mL的无水乙醇中,再将其放入超声震荡仪中超声震荡清洗1h。用镊子将经过超声清洗的
Figure BDA0004065314600000066
膜从无水乙醇中取出放入200mL的丙酮溶液中,再将其放入超声震荡仪中超声震荡清洗1h,如此,利用无水乙醇和丙酮交替清洗3次。为了增加
Figure BDA0004065314600000067
膜与PVP&PVC的DMF溶液的相容性,将清洗干净的
Figure BDA0004065314600000068
膜浸泡在无水乙醇中备用,并且浸泡时间不少于48h。
取质量为1.5g的PVP,质量为1.5g的PVC,以及体积为25mL的DMF,配制成浓度为0.12g mL-1的PVP&PVC的DMF溶液(PVP:PVC=1:1,质量比)。将浸润了无水乙醇的
Figure BDA0004065314600000069
膜取出浸泡于PVP&PVC的DMF溶液中,浸泡时间不少于48h。
将上述浸渍了PVP&PVC溶液的
Figure BDA00040653146000000610
增强的复合质子交换膜取出并铺展在玻璃模具框架上,然后在60℃的烘箱中烘干,
Figure BDA00040653146000000611
增强的复合质子交换膜厚度约为20μm。
实施例5
Figure BDA00040653146000000612
膜裁剪成12cm×12cm的矩形,再将
Figure BDA00040653146000000613
膜浸泡于200mL的无水乙醇中,再将其放入超声震荡仪中超声震荡清洗1h。用镊子将经过超声清洗的
Figure BDA00040653146000000614
膜从无水乙醇中取出放入200mL的丙酮溶液中,再将其放入超声震荡仪中超声震荡清洗1h,如此,利用无水乙醇和丙酮交替清洗3次。为了增加
Figure BDA00040653146000000615
膜与PVP&PVC的DMF溶液的相容性,将清洗干净的
Figure BDA00040653146000000616
膜浸泡在无水乙醇中备用,并且浸泡时间不少于48h。
取质量为1.25g的PVP,质量为1.75g的PVC,以及体积为25mL的DMF,配制成浓度为0.12g mL-1的PVP&PVC的DMF溶液(PVP:PVC=1:1.4,质量比)。将浸润了无水乙醇的
Figure BDA00040653146000000617
膜取出浸泡于PVP&PVC的DMF溶液中,浸泡时间不少于48h。
将上述浸渍了PVP&PVC溶液的
Figure BDA00040653146000000618
增强的复合质子交换膜取出并铺展在玻璃模具框架上,然后在60℃的烘箱中烘干,
Figure BDA00040653146000000619
增强的复合质子交换膜厚度约为20μm。
对比例1
选用DMF作为溶剂,称取2.0g PVP和1.0g PVC粉末(即PVP:PVC=2:1),并量取25mLDMF。将PVC和PVP粉末溶于DMF溶液中,并利用超声分散直至完全溶解。将分散均匀的溶液倒入超平表面皿中,再将表面皿放入80℃的烘箱中,干燥12h。待溶剂完全挥发掉,利用手术刀将膜材料从表面皿中剥离,并保存到自封袋中备用。
对比例2
与实施例3的方法相同,不同之处在于取消将清洗干净的
Figure BDA0004065314600000071
膜浸泡中无水乙醇中48h的步骤,将清洗干净的
Figure BDA0004065314600000072
膜直接浸泡于PVP&PVC的DMF溶液中。
对实施例1~5以及对比例1~2制得的复合质子交换膜进行性能测试,测试结果见表1。
(1)场发射扫描电镜
本发明中,用场发射扫描电镜来观测膜样品的表面和截面形貌。由于膜材料的电子导电性差,需要预先在分析表面上蒸镀一层厚度为10~20nm的金导电层,其中放大倍率为1万倍和3万倍。
图3(a)所示为实施例
Figure BDA0004065314600000073
膜表面的场发射扫描电镜图,从图中可以看出
Figure BDA0004065314600000074
膜呈多孔网状结构。图3(c)和(d)分别为实施例1中制得复合质子交换膜的表面和截面的场发射扫描电镜图,可以看出PVP&PVC已经充分填充到
Figure BDA0004065314600000075
膜的孔隙中。
(2)质子电导率
利用电化学工作站测量了膜的质子电导率(σ)。交流电(AC)的频率范围为100kHz到100MHz。每一种酸掺杂膜在3M SA中浸泡24h后,固定在两个扩散池之间,扩散池中分别含有等体积的3M SA溶液。所测膜的有效面积为1.5cm2,并根据以下公式计算膜的质子传导率:
Figure BDA0004065314600000076
其中L为膜厚(cm),AR代表膜的面电阻(Ωcm2)。
(3)平均拉伸强度
利用拉伸强度仪测定了膜的力学性能。为了测量材料的力学性能,制备了尺寸为25mm长和4mm宽的哑铃形样品,并在5mm min-1的速度下测量了试样的机械强度。
(4)VO2+渗透率
在没有电场的情况下,通过使用静态扩散试验通过钒(IV)离子在膜上扩散的速率来确定钒的渗透性。在室温下将膜浸入3M SA中不低于24h,将已知厚度的待测膜夹在实验室自制的模具中间,在每个模具的右侧和左侧分别加入20ml的1.5M VOSO4、3M H2SO4的混合溶液和等量的1.5M MgSO4、3M H2SO4混合溶液,其中MgSO4溶液的作用是平衡渗透压。每隔一段时间从左侧储液器中取出体积为1毫升的样品,用紫外可见分光光度计测定样品溶液的吸光度,测完后将样品溶液倒回左侧模具中,暴露在电解质中的膜面积为3.79cm2,离子交换膜的VO2+渗透率(Permeability,P)可以根据下式计算求出:
Figure BDA0004065314600000077
其中CL是右侧储液器中的VO2+浓度(M),而CR(t)是指左侧储液器中的VO2+浓度(M)随时间的变化。A和L分别为膜的有效面积(cm2)和厚度(cm),VR为左侧储液器中溶液的体积(cm3),CL-CR(t)值可认为不变,可用左侧模具中的初始VO2+浓度代替,t为实验取样时间,P为VO2+渗透率(cm2 min-1)。
表1
Figure BDA0004065314600000081
从上表的数据中可以看出,随着PVC用量的逐渐增多,PVP用量的逐渐减少,质子交换膜的质子电导率降低、平均拉伸强度增大、VO2+渗透率降低。可见,PVC和PVP从不同方面影响着质子交换膜的性能,将两者的用量控制在合适的范围内,能够赋予质子交换膜较好的综合性能。实施例3与对比例1相比,在质子交换膜中采用聚四氟乙烯作为增强材料,可以看出实施例3与对比例1相比具有优异的力学性能,并降低了VO2+渗透率。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
在本发明中,术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了上述实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将聚四氟乙烯膜浸泡在第一溶剂中;
(2)将聚氯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮溶解在第二溶剂中,得到混合溶液;
(3)将所述第一溶剂中的聚四氟乙烯膜取出之后浸泡在所述步骤(2)得到的混合溶液中;
(4)将所述步骤(3)浸泡后得到的复合质子交换取出固定于模具上,并进行干燥。
2.根据权利要求1所述的聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述聚氯乙烯与聚乙烯吡咯烷酮的质量比1:4~1.5:1。
3.根据权利要求1或2所述的聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述混合溶液中聚氯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮的总浓度为0.10~0.15g mL-1
4.根据权利要求1或2所述的聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜的制备方法,其特征在于,所述第一溶剂选自异丙醇、无水乙醇中的至少一种,所述第二溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,在所述混合溶液中的浸泡时间不少于24h。
6.根据权利要求1所述的聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述聚四氟乙烯膜浸泡前,将聚四氟乙烯膜用无水乙醇和丙酮交替进行清洗。
7.根据权利要求1或6所述的聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,在所述第一溶剂中的浸泡时间不少于24h。
8.根据权利要求1所述的聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜的制备方法,其特征在于,所述聚四氟乙烯膜的孔隙率为70~90%,平均孔径直径为0.10~0.20μm,厚度小于30μm。
9.一种聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜,其特征在于,采用权利要求1-8中任一项所述的方法制得。
10.一种权利要求9所述的聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜在全钒液流电池中的应用。
CN202310072940.0A 2023-01-13 2023-01-13 一种聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜及其制备方法和应用 Pending CN116053545A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310072940.0A CN116053545A (zh) 2023-01-13 2023-01-13 一种聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310072940.0A CN116053545A (zh) 2023-01-13 2023-01-13 一种聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜及其制备方法和应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116053545A true CN116053545A (zh) 2023-05-02

Family

ID=86125310

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310072940.0A Pending CN116053545A (zh) 2023-01-13 2023-01-13 一种聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116053545A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wei et al. Poly (tetrafluoroethylene) reinforced sulfonated poly (ether ether ketone) membranes for vanadium redox flow battery application
Li et al. Preparation and characterization of sulfonated poly (ether ether ketone)/poly (vinylidene fluoride) blend membrane for vanadium redox flow battery application
CA2320696C (en) Ion conductive matrixes and their use
CN104247118B (zh) 聚合物电解质膜及其制造方法以及包含该聚合物电解质膜的膜电极组件
JP2013503436A (ja) 燃料電池用の高分子電解質膜及びその製造方法
CN109065926A (zh) 原位矿化法制备有机-无机多层复合质子交换膜的制备方法
CN101237056B (zh) 具有抗渗透层的燃料电池质子交换膜及其制备方法
CN100580987C (zh) 一种微孔膜增强含氟交联离子交换膜及其制备方法
CN100546084C (zh) 一种燃料电池用复合质子交换膜的成型工艺
CN109755613B (zh) 一种三维骨架与磺化芳香族聚合物复合质子交换膜及其制备方法
CN109390617A (zh) 交联型聚苯并咪唑碱性阴离子交换膜及其制备和应用
CN109075369A (zh) 用于液流电池的复合膜
CN105047844A (zh) 一种三明治结构复合质子交换膜及其制备方法和用途
KR20190022657A (ko) 전해질막 및 그의 제조 방법
CN101777655B (zh) 一种燃料电池用无机复合金属氧化物掺杂的含氟质子交换膜
Higa et al. Characteristics and direct methanol fuel cell performance of polymer electrolyte membranes prepared from poly (vinyl alcohol-b-styrene sulfonic acid)
WO2009131294A1 (en) Highly proton conductive crosslinked vinylsulfonic acid polymer electrolyte composite membranes and its preparation method for polymer electrolyte fuel cells
CN104852065B (zh) 一种用于直接甲醇燃料电池的复合质子交换膜及其制备方法
CN106046403B (zh) 基于亲水性多孔支撑体的复合质子交换膜的制备方法
CN101733021B (zh) 一种互穿网络结构全氟离子交换膜及其制备方法
CN103996865A (zh) 高阻醇聚合物电解质膜及其制备方法
CN116053545A (zh) 一种聚四氟乙烯增强的复合质子交换膜及其制备方法和应用
CN116344877A (zh) 一种超薄复合质子交换膜及其制备方法和应用
CN105702901A (zh) 一种三氮唑基离子晶体/聚合物复合膜的制备方法
JP2007157637A (ja) 補強型固体高分子電解質膜およびその製造方法

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