專利名稱：Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法和Cs-HPW表面改性的Nafion膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法和Cs-HPW表面改性的Nafion 膜。
背景技術(shù)：
直接甲醇燃料電池(Direct methanol fuel cell，DMFC)因其使用液體燃料，且低 溫啟動(dòng)，能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，一直是燃料電池研究工作的熱點(diǎn)領(lǐng)域。DMFC是最具潛質(zhì)的車 載電源及便攜電源的供能裝置。也是未來(lái)最有可能成為商業(yè)化的燃料電池類型之一。質(zhì)子 交換膜(Proton exchange membrane,PEM)是燃料電池中的核心部件，起到傳導(dǎo)質(zhì)子并且阻 隔電子，并使陰陽(yáng)極分隔等作用。目前商業(yè)化的PEM最為成熟的是杜邦公司的Nafion系列 膜。但是當(dāng)Nafion用于DMFC中時(shí)，其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致燃料甲醇從陽(yáng)極向陰極大量地 滲透，在陰極側(cè)發(fā)生電化學(xué)氧化產(chǎn)生混合電位，降低電池輸出性能。同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致催化劑中 毒，最終影響電池壽命。因此對(duì)集中于降低Nafion甲醇滲透率的改性工作也是DMFC研究 的一個(gè)熱點(diǎn)。磷鎢酸(HPW)是一種很好的質(zhì)子導(dǎo)體，其本征電導(dǎo)率可達(dá)0. 2S/cm。因此將HPW引 入燃料電池中強(qiáng)化電導(dǎo)性能是很多工作的聚集點(diǎn)。但是HPW致命弱點(diǎn)是其極高的水溶性， 在電池環(huán)境中產(chǎn)生水，HPW極易隨水流失，造成電池性能的下降甚至衰退。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述問(wèn)題，本發(fā)明人提出了一種基于Nafion膜的表面改性方法 和Cs-HPW表面改性的Nafion膜。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，通過(guò)利用磷鎢酸(HPW)與碳酸銫(Cs2CO3)的相互作用， 在已經(jīng)取代了 Cs2CO3的Nafion中引入Cs2CO3與HPW的反應(yīng)沉淀顆粒，而達(dá)到減小甲醇擴(kuò) 散通道外部口徑的目的，進(jìn)而減小甲醇擴(kuò)散率。同時(shí)通過(guò)銫鹽與HPW的反應(yīng)，使HPW得到固 定，從而使之生成不溶于水的沉淀物，不易隨水流失。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了 Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法，其特征在于包 括Cs改性處理，從而得到改性的Nafion膜；以及HPff 改性處理，從而得到 Cs-HPW 改性的 Nafion 膜(“Cs-HPW-Nafion 膜”)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的方面，所述Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法的特征 在于所述Cs改性處理包括把Nafion膜置于銫鹽溶液中，從而得到銫改性的Nafion膜。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的方面，所述Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法的特征 在于所述HPW改性處理包括把改性的Nafion膜置于HPW溶液中，從而得到Cs-HPW改性的Nafion膜。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了一種Cs-HPW表面改性的Nafion膜，其特征在于 所述Cs-HPW表面改性的Nafion膜是用上述方法制備的。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了一種Cs-HPW表面改性的Nafion膜，其特征在于 所述Cs-HPW表面改性的Nafion膜包括Nafion 膜，分布在所述Nafion膜表面上的銫鹽與HPW的反應(yīng)沉淀顆粒。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的方面，上述反應(yīng)沉淀顆粒是通過(guò)利用磷鎢酸(HPW)與 碳酸銫(Cs2CO3)的相互作用而引入到所述Nafion膜表面上的。


圖1所示的是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的Cs-HPW-Nafion膜的掃描電鏡照片。圖2所示的是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的Cs-HPW-Nafion膜的表面能譜分析圖。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，通過(guò)利用磷鎢酸(HPW)與碳酸銫(&2C03)的相互作用， 在已經(jīng)取代了 Cs2CO3的Nafion中引入Cs2CO3與HPW的反應(yīng)沉淀顆粒，而達(dá)到減小甲醇擴(kuò) 散通道外部口徑的目的，進(jìn)而減小甲醇擴(kuò)散率。同時(shí)通過(guò)銫鹽與HPW的反應(yīng)，使HPW得到固 定，從而使之生成不溶于水的沉淀物，不易隨水流失。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法包括-Cs改性處理，從而得到改性的Nafion膜(“Cs-Naf ion膜”)；以及-HPff 改性處理，從而得到 Cs-HPW 改性的 Nafion 膜(“Cs-HPW-Nafion 膜”)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述Cs改性處理包括把Nafion膜置于Cs2CO3溶液中， 從而得到改性的Nafion膜。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述HPW改性處理包括把改性的Nafion膜置于HPW溶 液中，從而得到Cs-HPW改性的Nafion膜。根據(jù)本發(fā)明的Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法，提供了根據(jù)本發(fā)明的Cs-HPW表 面改性的Nafion膜。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一種Cs-HPW表面改性的Nafion膜包括Nafion 膜，分布在所述Nafion膜表面上的銫鹽與HPW的反應(yīng)沉淀顆粒。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的Cs-HPW表面改性的Nafion膜中，所述反應(yīng)沉淀顆 粒是通過(guò)利用磷鎢酸(HPW)與碳酸銫(&2C03)的相互作用而引入到所述Nafion膜表面上 的。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述HPW溶液的濃度在5mM-40mM的范圍，所述 Cs2CO3溶液的濃度在0. 5M-6M的范圍。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)更加優(yōu)選實(shí)施例，所述HPW溶液的濃度在5mM-20mM的范圍，所 述Cs2CO3溶液的濃度在2M-4M的范圍。實(shí)施例1 用標(biāo)準(zhǔn)方法處理Nafi0n212膜
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把Nafi0n212膜在5wt%的H2A中80°C煮1小時(shí)；再用去離子水洗三遍；最后在 去離子水中80°C煮1小時(shí)，再用8襯％的!12504在801煮1小時(shí)；再用去離子水洗三遍 ’最 后在去離子水中80°C煮1小時(shí)，置于去離子水中保存。將處理好的Naf ion212膜裁成^mX ^m，取12片，編號(hào)1#_1邶，將9#_1邶保存于
去離子水中。取1#-8#置于60°C的2M的Cs2CO3溶液中，恒溫持續(xù)攪拌M小時(shí)。然后取出，用 去離子水清洗完全，把這樣得到的Nafion膜稱為“Cs-Nafion膜”，將5#_8#封存于去離子 水中。再將1#-4#置于0. 02M的HPW溶液中，60°C恒溫持續(xù)攪拌M小時(shí)。取出。以去離 子水徹底沖洗3遍，封存于去離子水中。把這樣得到的Nafion膜稱為“Cs-HPW-Nafion膜”。測(cè)試分析電導(dǎo)率與甲醇擴(kuò)散率表征分別測(cè)定N212，Cs-Nafion，Cs-HPW-Nafion的電導(dǎo)率與甲醇擴(kuò)散率。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)， 在用Cs2COJiNafion進(jìn)行處理后，得到的Cs-Nafion的電阻很大，電導(dǎo)率很小，幾乎表現(xiàn)為 非質(zhì)子導(dǎo)體。因此未表征其甲醇擴(kuò)散率，因?yàn)閷?duì)組裝直接甲醇燃料電池而言，不能傳導(dǎo)質(zhì)子 的材料甲醇擴(kuò)散率高低亦無(wú)意義。
權(quán)利要求
1.Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法，其特征在于包括 銫改性處理，從而得到銫改性的Nafion膜；以及HPff改性處理，從而得到Cs-HPW改性的Nafion膜(“Cs-HPW-Naf ion膜，，)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法，其特征在于所述銫改性 處理包括把Nafion膜置于銫鹽溶液中，從而得到銫改性的Nafion膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法，其特征在于所述HPW改 性處理包括把改性的Nafion膜置于HPW溶液中，從而得到Cs-HPW改性的Nafion膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法，其特征在于所述銫鹽是CSgCOg ο
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法，其特征在于所述HPW改性處理包括把改性的Nafion膜置于HPW溶液中，從而得到Cs-HPW改性的 Nafion 膜；其中所述HPW溶液的濃度在5mM-40mM的范圍，所述Cs2CO3溶液的濃度在0. 5M-6M的范圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法，其特征在于所述HPW改性處理包括把改性的Nafion膜置于HPW溶液中，從而得到Cs-HPW改性的 Nafion 膜；其中所述HPW溶液的濃度在5mM-20mM的范圍，所述Cs2CO3溶液的濃度在2M-4M的范圍。
7.一種Cs-HPW表面改性的Nafion膜，其特征在于所述Cs-HPW表面改性的Nafion膜 是用根據(jù)權(quán)利要求1-6中的任何一項(xiàng)的方法制備的。
8.一種Cs-HPW表面改性的Nafion膜，其特征在于所述Cs-HPW表面改性的Nafion膜 包括Nafion 膜，分布在所述Nafion膜表面上的銫鹽與HPW的反應(yīng)沉淀顆粒。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的Cs-HPW表面改性的Nafion膜，其特征在于所述銫鹽是CSgCOg ο
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的Cs-HPW表面改性的Nafion膜，其特征在于所述反應(yīng)沉淀顆 粒是通過(guò)利用磷鎢酸(HPW)與碳酸銫(Cs2CO3)的相互作用而引入到所述Nafion膜表面上 的。
全文摘要
本發(fā)明人提出了一種基于Nafion膜的表面改性方法和Cs-HPW表面改性的Nafion膜。通過(guò)利用磷鎢酸與碳酸銫(Cs2CO3)的相互作用，在已經(jīng)取代了Cs2CO3的Nafion中引入Cs2CO3與HPW的反應(yīng)沉淀顆粒，而達(dá)到減小甲醇擴(kuò)散通道外部口徑的目的，進(jìn)而減小甲醇擴(kuò)散率。同時(shí)通過(guò)銫鹽與HPW的反應(yīng)，使HPW得到固定，從而使之生成不溶于水的沉淀物，不易隨水流失。本發(fā)明的Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法包括Cs改性處理，從而得到改性的Nafion膜；以及，HPW改性處理，從而得到Cs-HPW改性的Nafion膜。
文檔編號(hào)H01M2/16GK102108128SQ20091024370
公開(kāi)日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2009年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月23日
發(fā)明者盧善富, 張勁, 楊萌, 相艷 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)