一種具有互穿網絡的雜化荷電膜及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種新型具有互穿網絡的雜化荷電膜及其制備方法，該方法包括以下步驟：帶有季銨基團的高分子材料作為成膜材料，完全溶解后依次加入交聯劑，及作為填充物的納米無機材料，攪拌均勻，靜置脫泡，流延刮膜，再經熱處理，最終得到內部具有互穿網絡的雜化荷電膜。形成的互穿網絡能夠增加膜的強度，且增加膜對離子的傳導性能。所制備的膜用于微生物燃料電池時，具有良好的阻氧性能，能有效提高微生物燃料電池的性能。
【專利說明】
一種具有互穿網絡的雜化荷電膜及其制備方法
所屬技術領域
[0001]本發明涉及一種具有互穿網絡的雜化荷電膜及其制備方法。具體涉及一種可用于微生物燃料電池的導電率優良，氧氣透過率低的荷電膜及其制備方法。
【背景技術】
[0002]膜分離材料是微生物燃料電池裝置的主要組成部分，它起到了傳遞離子，分隔陰極和陽極室物質的作用。膜材料從性能和價格兩方面對微生物電池的應用和推廣有著重要的影響。目前常用的商業化膜材料是Naf1n系列質子交換膜，但是由于其價格昂貴，且對氧氣和陽極營養物等有一定透過作用，影響了電池的運行效率。因此，尋找價格便宜，且導電率優良，對氧氣和陽極營養物透過率低的荷電膜是實現微生物燃料電池大規模推廣應用的關鍵。
【發明內容】
[0003]為了克服現有用于微生物燃料電池的膜材料價格昂貴，制備工藝復雜等應用的缺陷，本發明的目的在于提供一種新型具有互穿網絡的雜化荷電膜及其制備方法，制備方法過程簡單易操作，本發明的雜化荷電膜不僅價格低廉，且能夠滿足微生物燃料電池實際應用的要求，離子傳導率的數量級達10 3S/cm2，對氧氣和陽極營養底物滲透率低，能夠有效推進微生物燃料電池的大規模應用。
[0004]本發明提供的一種具有互穿網絡的雜化荷電膜材料是以帶有季銨基團的有機高分子材料和無機納米粒子為原料制成，其中無機納米粒子的用量占整個原料質量的1-20%。
[0005]本發明提供的具有互穿網絡的雜化荷電膜的制備方法包括以下步驟:
[0006]I)帶有季銨基團的有機高分子材料以水為溶劑，在80_100°C的水浴中，攪拌3-5小時，完全溶解后，將溶液降溫到室溫，再依次加入交聯劑，及無機納米粒子，攪拌均勻得到制膜液。
[0007]2)制膜液靜置脫泡后流延刮膜，在空氣中放置12-24小時，再放入真空干燥箱，在40-80°C下熱處理1-5小時，然后再升溫到100-120°C熱處理1_5小時，得到內部具有互穿網絡的雜化荷電膜。
[0008]本發明的優點在于:膜材料的制備過程具有易操作、耗時少的特點。采用的帶有季銨基團的有機高分子材料，對離子具有良好的傳導性能；無機納米離子的加入對氧氣和陽極營養物具有阻礙作用；膜內部形成的互穿網絡結構將有機材料與無機納米離子緊密地結合起來，增加了膜對氧氣和微生物燃料電池中陽極營養物的阻隔作用。本發明制備的膜的離子傳導率的數量級達10 3S/cm2，膜對氧氣的傳質系數為0.03-0.1X 10 4cm/s，優于目前市場上商業化的 Naf1nl 17 膜(0.5 X 10 4cm/s)。
【附圖說明】
[0009]實施例1所制的雜化荷電膜及Naf1nl 17膜對氧氣傳遞的阻隔性能隨時間變化曲線
【具體實施方式】
[0010]實施例1:
[0011]將6g季銨化聚乙烯醇置于帶有攪拌器的三口燒瓶中，加入10mL去離子水，在95°C的水浴中加熱至完全溶解，再將溶液降至室溫。將2mL5%戊二醛溶液在機械攪拌下逐滴加入到季銨化聚乙烯醇溶液中，再加入質量比為5 %的納米二氧化硅粉末，在室溫下攪拌反應I小時，配制成均相鑄膜液。將鑄膜液室溫下靜置脫泡4小時，倒在玻璃板上流延成膜，室溫靜置24小時，將膜從玻璃板上剝離。將膜放入真空干燥箱60°C中干燥4小時，將溫度升至100°C熱處理2小時，最終得到具有互穿網絡的雜化荷電膜。經檢測，膜的離子傳遞率可達5.2X10 3S/cm2，達到了應用的基本要求，且膜對氧氣的傳質系數為0.04X 10 4cm/s，優于目前市場上商業化的Naf1nll7膜(0.5X 10 4cm/s)。膜對氧氣良好的阻隔性能，極大地提高了微生物燃料電池的效率。
【主權項】
1.一種具有互穿網絡的雜化荷電膜的制備方法，其特征在于具體步驟如下: 1)帶有季銨基團的高分子材料為原料，以水為溶劑，在80-100°C的水浴中，攪拌3-5小時，完全溶解后，依次加入交聯劑，及無機納米粒子，攪拌均勻得到制膜液。 2)制膜液靜置脫泡后流延刮膜，再經熱處理得到雜化荷電膜。2.一種根據權利要求1所述的制備方法所制得的雜化荷電膜，其特征是:膜內部有貫通的互穿網絡結構。3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于:步驟I)中，所述的季銨化高分子材料可以為季銨化聚醚砜，季銨化聚乙烯醇，季銨化殼聚糖中的一種或多種；所述的無機納米材料可以為納米二氧化硅，納米二氧化鈦，納米氧化鋁，納米二氧化錳中的一種或多種；所述的交聯劑可以為戊二醛，硅烷，乙烯砜中的一種或多種。4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于:步驟2)中，制膜液流延刮膜后，在空氣中放置12-24小時，再放入真空干燥箱，在40-80°C下熱處理1_5小時，然后再升溫到100-120°C熱處理1-5小時。5.根據權利要求2所述的雜化荷電膜，其特征是:膜中無機材料所占比例為質量比1% -20%。6.根據權利要求2所述的雜化荷電膜，其特征是:膜中有機材料所占比例為質量比5% -10%。
【文檔編號】H01M8/02GK105895946SQ201510038127
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2015年1月26日
【發明人】熊鷹
【申請人】北京大學深圳研究生院