中空金属有机框架修饰的氧化石墨烯纳米片改性的聚合物杂化质子交换膜制造技术

技术编号：40020939 阅读：7 留言：0更新日期：2024-01-16 16:44

本发明专利技术属于膜技术领域，公开了一种中空金属有机框架修饰的氧化石墨烯纳米片改性的聚合物杂化质子交换膜，制备方法包括以下步骤：(1)利用氧化石墨烯GO和金属盐得到A溶液；利用配体形成B溶液；将A溶液和B溶液混合后得到GO@MOF；(2)将GO@MOF刻蚀得到GO@HMOF；(3)将GO@HMOF加入至磺酸化聚合物溶液中得到铸膜液，进而得到中空金属有机框架修饰的氧化石墨烯纳米片改性的聚合物杂化质子交换膜。本发明专利技术通过对质子交换膜中关键功能成分的结构、组成进行改进，向质子交换膜中引入中空金属有机框架修饰的氧化石墨烯纳米片(即GO@HMOF)，并对制备方法的整体工艺流程设计等进行控制，通过简便的工艺即可得到质子传导率明显提升的质子交换膜。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于膜，更具体地，涉及一种中空金属有机框架修饰的氧化石墨烯纳米片改性的聚合物杂化质子交换膜，通过引入中空金属有机框架修饰的氧化石墨烯纳米片(go@hmof)对聚合物杂化质子交换膜进行改性，能够有效提升制得的质子交换膜的质子传导率。

技术介绍

1、质子交换膜燃料电池具有启动迅速、绿色环保和高效率的优点，它可将燃料的化学能不经燃烧直接转化为电能，已成为最具前景的能量转化装置之一，备受社会多方面的广泛青睐。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心部件之一，在传递质子的同时阻隔阴阳两极间燃料的渗漏。其中，质子传导率是决定质子交换膜燃料电池性能的一个核心因素，提升质子传导率是获得高性能质子交换膜的有效途径。

2、金属有机框架(mofs)具有结构易调、高孔隙率和大比表面积的特点。因此，它在分离、吸附、传感、载药等方面表现出了理想的应用前景。最近，mofs在质子传导方面的应用受到了高度关注。研究表明，mofs孔中的氢键网络或功能位点能够有效地传递质子。因此，越来越多的mofs改性质子交换膜被开发出来。如：《化学通讯》(chemical communication,2013,49,143-145)报道了将fe-mil-101-nh2加入到磺化2,6-二甲基对聚苯氧(sppo)中制得fe-mil-101-nh2/sppo杂化膜，该膜在90℃，80％rh(相对湿度)的条件下质子传导率为0.25s/cm，较未改性的sppo膜提升明显。《膜科学》(journal of membrane science 458(2014)86-95)报

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种中空金属有机框架修饰的氧化石墨烯纳米片改性的聚合物杂化质子交换膜，其中通过对质子交换膜中关键功能成分的结构、组成进行改进，向质子交换膜中引入中空金属有机框架修饰的氧化石墨烯纳米片(即go@hmof)，并对制备方法的整体工艺流程设计等进行控制，通过简便的工艺即可得到质子传导率明显提升的质子交换膜。

2、为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种中空金属有机框架修饰的氧化石墨烯纳米片改性的聚合物杂化质子交换膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、(1)将氧化石墨烯(go)和金属盐加入至第一溶剂中，超声使它们充分分散和溶解，形成a溶液；将配体加入至第二溶剂中，超声使其充分溶解，形成b溶液；其中，所述第一溶剂和所述第二溶剂的溶剂种类相同；

4、接着，将所述a溶液和所述b溶液混合后，在5～100℃的条件下反应8～74h，然后将产物分离、清洗后得到相应的金属有机框架修饰的氧化石墨烯纳米片go@mof；

5、(2)将所述步骤(1)得到的go@mof置于酚酸水溶液中刻蚀2～30min，然后将产物分离、清洗后得到相应的中空金属有机框架修饰的氧化石墨烯纳米片go@hmof；

6、(3)将所述步骤(2)得到的go@hmof，加入至磺酸化聚合物溶液中，超声处理，得到均匀分散的铸膜液；接着，利用所述铸膜液形成膜材料，干燥后，再依次经过双氧水溶液、酸和去离子水浸泡处理，即可得到中空金属有机框架修饰的氧化石墨烯纳米片改性的聚合物杂化质子交换膜。

7、作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(1)中，所述a溶液和所述b溶液混合对应的金属盐和配体的摩尔比为1:16～1:4；所述go的质量占金属盐的质量比为2.2～33.0wt％。

8、作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(1)中，所述第一溶剂和所述第二溶剂为n，n-二甲基甲酰胺(dmf)、n，n-二乙基甲酰胺、四氢呋喃、吡咯烷酮、二甲亚砜、ch3oh、c2h5oh中的一种或几种的混合。

9、作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(1)和所述步骤(2)中，所述清洗所采用的溶剂均为沸点不高于80℃的低沸点溶剂，独立的选自ch3oh、c2h5oh、chcl3、ch2cl2、ch3cl、丙酮、丁酮中的一种或几种的混合。

10、作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(2)中，所述酚本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种中空金属有机框架修饰的氧化石墨烯纳米片改性的聚合物杂化质子交换膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述A溶液和所述B溶液混合对应的金属盐和配体的摩尔比为1:16～1:4；所述GO的质量占金属盐的质量比为2.2～33.0wt％。

3.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述第一溶剂和所述第二溶剂为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、N，N-二乙基甲酰胺、四氢呋喃、吡咯烷酮、二甲亚砜、CH3OH、C2H5OH中的一种或几种的混合。

4.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)和所述步骤(2)中，所述清洗所采用的溶剂均为沸点不高于80℃的低沸点溶剂，独立的选自CH3OH、C2H5OH、CHCl3、CH2Cl2、CH3Cl、丙酮、丁酮中的一种或几种的混合。

5.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述酚酸为单羟基苯甲酸、双羟基苯甲酸和三羟基苯甲酸三类酚酸中的一种或几种的混合；所述酚酸水溶液的浓度为0.1～3g/L。>

6.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，GO@HMOF的质量占所述磺酸化聚合物溶液中所含聚合物基质质量的0.9～2.7wt％；

7.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述磺酸化聚合物溶液为全氟磺酸树脂、磺化聚醚醚酮、磺化聚苯并咪唑、磺化聚醚砜或磺化聚酰亚胺的均相溶液中的一种；该磺酸化聚合物溶液的浓度为1～40wt％；

8.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述双氧水溶液的浓度为1～10wt％；

9.利用如权利要求1-8任意一项所述制备方法制得的中空金属有机框架修饰的氧化石墨烯纳米片改性的聚合物杂化质子交换膜。

10.如权利要求9所述中空金属有机框架修饰的氧化石墨烯纳米片改性的聚合物杂化质子交换膜在质子交换膜燃料电池中的应用。

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【技术特征摘要】

1.一种中空金属有机框架修饰的氧化石墨烯纳米片改性的聚合物杂化质子交换膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述a溶液和所述b溶液混合对应的金属盐和配体的摩尔比为1:16～1:4；所述go的质量占金属盐的质量比为2.2～33.0wt％。

3.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述第一溶剂和所述第二溶剂为n，n-二甲基甲酰胺(dmf)、n，n-二乙基甲酰胺、四氢呋喃、吡咯烷酮、二甲亚砜、ch3oh、c2h5oh中的一种或几种的混合。

4.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)和所述步骤(2)中，所述清洗所采用的溶剂均为沸点不高于80℃的低沸点溶剂，独立的选自ch3oh、c2h5oh、chcl3、ch2cl2、ch3cl、丙酮、丁酮中的一种或几种的混合。

5.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述酚...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏芳，饶壮，李广芳，黄茁，张爱荣，刘晓玲，徐优，朱德雨，贺颖，王国庆，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：

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