納米陣列結構的離子交換膜、其制備方法及應用

納米陣列結構的離子交換膜、其制備方法及應用
【專利摘要】本發明公開了一種納米陣列結構的離子交換膜、其制備方法及應用。該制備方法包括：提供具有納米孔道陣列的模板，納米孔道陣列由分布在模板上的復數納米級盲孔組成；將離子導體溶液等填充于模板內并固化成型；以及，去除所述模板，獲得所述納米陣列結構的離子交換膜。進一步的，該離子交換膜可應用于制備單電極核心組件。本發明通過采用單通模板法在離子交換膜上原位制備納米陣列，尺寸可大范圍控制，其中納米線或納米管直徑＞100nm，長度為10nm?100μm，納米陣列的離子交換膜面積為0.1cm2?1m2，進一步的，通過并且采用磁性調控催化劑進入納米縫隙，可大大增加三相界面(電子、質子、物質)，并且可精確控制，且工藝簡單，可大規模生產。
【專利說明】
納米陣列結構的離子交換膜、其制備方法及應用
技術領域
[0001]本發明涉及一種離子交換膜，特別是一種可應用于燃料電池、超級電容器、太陽能轉換裝置等的、具有納米陣列結構的離子交換膜及其制備方法，屬于新能源技術領域。
【背景技術】
[0002]燃料電池，例如質子交換膜燃料電池(PEMFC)以聚合物質子交換膜作電解質，其核心部件是膜電極。目前PEMFC的關鍵技術已經成熟，限制其商業化最大障礙是成本太高。因此，對PEMFC膜電極結構及制備工藝進行優化不僅對提高電池性能，而且對降低生產成本、加快商業化進程都具有重要的意義。
[0003]第一代膜電極制備工藝是在磷酸燃料電池(PAFC)上發展起來的，由其制備的膜電極催化層比較厚，一般在幾十微米左右，且催化層與其界面結合穩定性差。為此，20世紀90年代以后，人們嘗試直接把催化層作用到質子交換膜上，制備質子交換膜核心組件CCM (catalyst coated membrane)即第二代膜電極
[0004]但第一代和第二代膜電極的催化層都是催化劑(電子導體)與電解質溶液(質子導體)以一定比例混合制備而成，質子、電子、氣體和水等物質的多相傳輸通道均處于無序狀態，存在著較強的電化學極化和濃差極化，制約膜電極的大電流放電性能。為此，新一代(即第三代)膜電極必須從實現三相界面中的質子、電子、氣體和水等物質的多相傳輸通道的有序化角度出發，極大地提高催化劑利用率，進一步提高燃料電池的綜合性能，。
[0005]Y.Zhang等采用納米刻印技術在Naf1n 117膜的表面刻出了 60nm高的凸起，得到了較大的三相界面，提高了催化劑的利用率。A.0mosebi等利用電子束刻蝕的方法，把Naf1n膜的表面圖案化，增加了催化劑和膜的接觸面積。M.Aizawa等利用轉印或者微注模的方法，在Naf1n膜的表面制備了很多有規則的凸起。但是，這些方法所制備的納米凸起長度較小，很難深入到催化層內，所起到的作用更加類似于增加膜的粗糙度，無法有效增加催化層和膜的接觸面積(一般小于2倍)，同時工序繁多，操作復雜，加工價格昂貴，不利于規模化生產。而木士春等采用模板法制備了一種有序化質子導體，并分別采用原位法和真空蒸鍍法在納米纖維表面附著一層催化層制備了膜電極，但是三相接觸面上并無電導率較高的碳，并且其所制備的納米纖長度小于10微米，不能大范圍可調。

【發明內容】

[0006]本發明的主要目的在于提供一種納米陣列結構的離子交換膜、其制備方法及應用，從而克服現有技術中的不足。
[0007]為實現前述發明目的，本發明采用的技術方案包括:
[0008]一種納米陣列結構的離子交換膜的制備方法，其包括:
[0009]提供具有納米孔道陣列的模板，所述納米孔道陣列由分布在模板上的復數納米級盲孔組成；
[0010]將離子導體溶液、離子導體熔融體、含離子導體單體的流體中的至少一種填充于模板內并固化成型；
[0011]以及，去除所述模板，獲得所述納米陣列結構的離子交換膜。
[0012]作為較佳實施方案之一，該制備方法可以包括:
[0013](I)將所述模板放入真空干燥器內，并抽真空至真空干燥器內腔壓力在0.1MPa以下，然后加入離子導體溶液，繼續保持真空狀態，靜置，待離子導體溶液充分進入所述模板上的孔道后，將真空干燥器內腔壓力調至標準大氣壓，并取出所述模板；
[0014](2)將所述模板在30°C -100°C烘干，在烘干過程中繼續向模板上施加離子導體溶液，以調控所述納米陣列結構的基底厚度；
[0015](3)待所述模板被烘干后，將環境溫度升至110Γ -240°C進行熱處理，之后自然冷卻；
[0016](4)以腐蝕液去除所述模板，獲得納米陣列結構的離子交換膜。
[0017]作為較佳實施方案之一，所述納米陣列結構主要由復數納米線或納米管組成，其中所述納米線或納米管的直徑大于10nm(優選大于lOOnm，而小于或等于900nm)，長度為1nm-1OO μ m，且所述納米陣列結構的面積在0.1cm2以上(優選為0.1cm 2-1m)。
[0018]由前述任一種方法制備的納米陣列結構的離子交換膜。
[0019]一種單電極核心組件，其包含所述的納米陣列結構的離子交換膜。
[0020]一種單電極核心組件的制備方法，其包括:
[0021]采用前述任一種方法制備納米陣列結構的離子交換膜；
[0022]以及，向所述離子交換膜的納米陣列結構上施加磁性催化劑漿料，并將所述離子交換膜置于一可變磁場中，調節磁場強度，同時使所述離子交換膜持續振動，待所述磁性催化劑漿料填充入所述納米陣列結構內，再在所述納米陣列結構表面施加離子導體溶液，之后烘干，獲得所述單電極核心組件。
[0023]一種燃料電池，其包含所述的離子交換膜或所述的單電極核心組件。
[0024]一種超級電容器，其包含所述的離子交換膜或所述的單電極核心組件。
[0025]一種太陽能轉換裝置，其包含所述的離子交換膜或所述的單電極核心組件。
[0026]一種裝置，其包含所述離子交換膜、所述單電極核心組件、所述燃料電池、所述超級電容器或所述太陽能轉換裝置。
[0027]與現有技術相比，本發明的優點包括:通過采用單通模板法在離子交換膜上原位制備納米陣列，尺寸可大范圍控制，其中納米線或納米管直徑大于lOOnm，長度從1nm-1OO μπι，納米陣列的面積0.1cm2 lm2，進一步的，通過并且采用磁性調控催化劑進入納米縫隙，可大大增加三相界面(電子、質子、物質)，并且可精確控制，且工藝簡單，可大規模生產。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明一典型實施方案之中一種離子導體及膜電極的制備工藝流程圖；
[0029]圖2a_圖2b是本發明一實施方案之中一種納米陣列離子交換膜的正面和截面電鏡照片；
[0030]圖3是本發明一實施方案之中一種單電極核心組件的電鏡照片。
【具體實施方式】
[0031]鑒于現有技術的諸多不足，本案發明人經長期研究和大量實踐，得以提出了本發明的技術方案，如下將具體說明。
[0032]請參閱圖1，在本發明的一較為典型的實施方案之中，一種離子導體(即“納米陣列結構的離子交換膜”)及膜電極的制備工藝可以包括如下步驟:
[0033](I)將單通模板放入真空干燥器，抽到真空至0.1MPa以下，然后加入離子導體溶液，繼續保持真空狀態，靜置，待離子導體溶液充分進入模板孔道后，調至標準大氣壓，取出模板；
[0034](2)將模板在30°C -100°C烘干，在烘干過程中繼續滴加離子導體溶液，調控基底厚度。
[0035](3)烘干后將溫度上調至110°C _240°C熱處理，然后自然冷卻。
[0036](4)用腐蝕液去除模板。
[0037](5)將脫落的離子交換膜見圖2a_圖2b( S卩，離子導體)清洗后保存在去離子水內；
[0038](6)取一個離子交換膜置于培養皿上，表面滴加磁性催化劑漿料，在培養皿上下方各放一個電磁鐵，通過一定的程序控制磁場強度的有無，強弱，并將整個系統置于振動源內維持納米陣列的振動，待催化劑漿料填充進納米陣列內，表面滴加少許離子導體溶液，取出烘干，即制得單電極核心組件見圖3。
[0039]本實施例的方法中，通過采用單通模板制備離子導體，因其有一層較厚的的基底，可以使模板的面積大大增加，較之木士春等采用的雙通模板或者是雙孔一端封口后的模板，克服了模板較薄、容易裂、易限制模板面積等缺陷，從而可制備出尺寸可大范圍調控的離子導體，同時通過磁性調控，將碳載催化劑填入納米縫隙，大大增加三相界面(電子、質子、物質)，并且可精確控制，工藝簡單，可大規模生產。
[0040]又，本發明離子交換膜的質子、電子、物質通道有序化，降低了電化學極化和濃差極化，提升電荷運輸能力和大電流放電性能，大幅度提尚了電池性能、提尚催化劑利用率、降低催化劑載量同時提高燃料電池的壽命。
[0041]需要指出的是，上述實施例僅為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種納米陣列結構的離子交換膜的制備方法，其特征在于包括: 提供具有納米孔道陣列的模板，所述納米孔道陣列由分布在模板上的復數納米級盲孔組成； 將離子導體溶液、離子導體熔融體、含離子導體單體的流體中的至少一種填充于模板內并固化成型； 以及，去除所述模板，獲得所述納米陣列結構的離子交換膜。2.根據權利要求1所述納米陣列結構的離子交換膜的制備方法，其特征在于包括: (1)將所述模板放入真空干燥器內，并抽真空至真空干燥器內腔壓力在0.1MPa以下，然后加入離子導體溶液，繼續保持真空狀態，靜置，待離子導體溶液充分進入所述模板上的孔道后，將真空干燥器內腔壓力調至標準大氣壓，并取出所述模板； (2)將所述模板在30°C-100°C烘干，在烘干過程中繼續向模板上施加離子導體溶液，以調控所述納米陣列結構的基底厚度； (3)待所述模板被烘干后，將環境溫度升至IlOtC_240°C進行熱處理，之后自然冷卻； (4)以腐蝕液去除所述模板，獲得納米陣列結構的離子交換膜。3.根據權利要求1或2所述納米陣列結構的離子交換膜的制備方法，其特征在于所述納米陣列結構主要由復數納米線或納米管組成，其中所述納米線或納米管的直徑為>10nm 而< 900nm,長度為 1nm-1OO μ m。4.根據權利要求1或2所述納米陣列結構的離子交換膜的制備方法，其特征在于所述納米陣列結構的面積為0.lcm2-lm2。5.由權利要求1-4中任一項所述方法制備的納米陣列結構的離子交換膜。6.一種單電極核心組件，其特征在于包含權利要求4所述的納米陣列結構的離子交換膜。7.一種單電極核心組件的制備方法，其特征在于包括: 采用權利要求1-4中任一項所述的方法制備納米陣列結構的離子交換膜； 以及，向所述離子交換膜的納米陣列結構上施加磁性催化劑漿料，并將所述離子交換膜置于一可變磁場中，調節磁場強度，同時使所述離子交換膜持續振動，待所述磁性催化劑漿料填充入所述納米陣列結構內，再在所述納米陣列結構表面施加離子導體溶液，之后烘干，獲得所述單電極核心組件。8.一種燃料電池，其特征在于包含權利要求5所述的離子交換膜或權利要求6所述的單電極核心組件。9.一種超級電容器，其特征在于包含權利要求5所述的離子交換膜或權利要求6所述的單電極核心組件。10.一種太陽能轉換裝置，其特征在于包含權利要求5所述的離子交換膜或權利要求6所述的單電極核心組件。11.一種裝置，其特征在于包含權利要求5所述的離子交換膜、權利要求6所述的單電極核心組件、權利要求8所述的燃料電池、權利要求9所述的超級電容器或者權利要求10所述的太陽能轉換裝置。
【文檔編號】H01M4/88GK106033817SQ201510109691
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月12日
【發明人】周小春, 顧俊南
【申請人】中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所