CN102108128A - Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法和Cs-HPW表面改性的Nafion膜 - Google Patents
Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法和Cs-HPW表面改性的Nafion膜 Download PDFInfo
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Abstract
本发明人提出了一种基于Nafion膜的表面改性方法和Cs-HPW表面改性的Nafion膜。通过利用磷钨酸与碳酸铯(Cs2CO3)的相互作用,在已经取代了Cs2CO3的Nafion中引入Cs2CO3与HPW的反应沉淀颗粒,而达到减小甲醇扩散通道外部口径的目的,进而减小甲醇扩散率。同时通过铯盐与HPW的反应,使HPW得到固定,从而使之生成不溶于水的沉淀物,不易随水流失。本发明的Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法包括:Cs改性处理,从而得到改性的Nafion膜;以及,HPW改性处理,从而得到Cs-HPW改性的Nafion膜。
Description
技术领域
本发明涉及一种Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法和Cs-HPW表面改性的Nafion膜。
背景技术
直接甲醇燃料电池(Direct methanol fuel cell,DMFC)因其使用液体燃料,且低温启动,能量密度高等优点,一直是燃料电池研究工作的热点领域。DMFC是最具潜质的车载电源及便携电源的供能装置。也是未来最有可能成为商业化的燃料电池类型之一。质子交换膜(Proton exchange membrane,PEM)是燃料电池中的核心部件,起到传导质子并且阻隔电子,并使阴阳极分隔等作用。目前商业化的PEM最为成熟的是杜邦公司的Nafion系列膜。但是当Nafion用于DMFC中时,其本身的结构特点导致燃料甲醇从阳极向阴极大量地渗透,在阴极侧发生电化学氧化产生混合电位,降低电池输出性能。同时也会导致催化剂中毒,最终影响电池寿命。因此对集中于降低Nafion甲醇渗透率的改性工作也是DMFC研究的一个热点。
磷钨酸(HPW)是一种很好的质子导体,其本征电导率可达0.2S/cm。因此将HPW引入燃料电池中强化电导性能是很多工作的聚集点。但是HPW致命弱点是其极高的水溶性,在电池环境中产生水,HPW极易随水流失,造成电池性能的下降甚至衰退。
发明内容
针对现有技术的上述问题,本发明人提出了一种基于Nafion膜的表面改性方法和Cs-HPW表面改性的Nafion膜。
根据本发明的一个实施例,通过利用磷钨酸(HPW)与碳酸铯(Cs2CO3)的相互作用,在已经取代了Cs2CO3的Nafion中引入Cs2CO3与HPW的反应沉淀颗粒,而达到减小甲醇扩散通道外部口径的目的,进而减小甲醇扩散率。同时通过铯盐与HPW的反应,使HPW得到固定,从而使之生成不溶于水的沉淀物,不易随水流失。
根据本发明的一个方面,提供了Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法,其特征在于包括:
Cs改性处理,从而得到改性的Nafion膜;以及
HPW改性处理,从而得到Cs-HPW改性的Nafion膜(“Cs-HPW-Nafion膜”)。
根据本发明的一个进一步的方面,所述Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法的特征在于所述Cs改性处理包括:
把Nafion膜置于铯盐溶液中,从而得到铯改性的Nafion膜。
根据本发明的一个进一步的方面,所述Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法的特征在于所述HPW改性处理包括:
把改性的Nafion膜置于HPW溶液中,从而得到Cs-HPW改性的Nafion膜。
根据本发明的又一个方面,提供了一种Cs-HPW表面改性的Nafion膜,其特征在于所述Cs-HPW表面改性的Nafion膜是用上述方法制备的。
根据本发明的又一个方面,提供了一种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膜表面上的铯盐与HPW的反应沉淀颗粒。
根据本发明的一个进一步的方面,上述反应沉淀颗粒是通过利用磷钨酸(HPW)与碳酸铯(Cs2CO3)的相互作用而引入到所述Nafion膜表面上的。
附图说明
图1所示的是根据本发明的实施例的Cs-HPW-Nafion膜的扫描电镜照片。
图2所示的是根据本发明的实施例的Cs-HPW-Nafion膜的表面能谱分析图。
具体实施方式
根据本发明的一个实施例,通过利用磷钨酸(HPW)与碳酸铯(Cs2CO3)的相互作用,在已经取代了Cs2CO3的Nafion中引入Cs2CO3与HPW的反应沉淀颗粒,而达到减小甲醇扩散通道外部口径的目的,进而减小甲醇扩散率。同时通过铯盐与HPW的反应,使HPW得到固定,从而使之生成不溶于水的沉淀物,不易随水流失。
根据本发明的一个实施例的Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法包括:
-Cs改性处理,从而得到改性的Nafion膜(“Cs-Nafion膜”);以及
-HPW改性处理,从而得到Cs-HPW改性的Nafion膜(“Cs-HPW-Nafion膜”)。
根据本发明的一个实施例,所述Cs改性处理包括把Nafion膜置于Cs2CO3溶液中,从而得到改性的Nafion膜。
根据本发明的一个实施例,所述HPW改性处理包括把改性的Nafion膜置于HPW溶液中,从而得到Cs-HPW改性的Nafion膜。
根据本发明的Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法,提供了根据本发明的Cs-HPW表面改性的Nafion膜。
根据本发明的一个实施例的一种Cs-HPW表面改性的Nafion膜包括:
Nafion膜,
分布在所述Nafion膜表面上的铯盐与HPW的反应沉淀颗粒。
在根据本发明的一个实施例的Cs-HPW表面改性的Nafion膜中,所述反应沉淀颗粒是通过利用磷钨酸(HPW)与碳酸铯(Cs2CO3)的相互作用而引入到所述Nafion膜表面上的。
根据本发明的一个优选实施例,所述HPW溶液的浓度在5mM-40mM的范围,所述Cs2CO3溶液的浓度在0.5M-6M的范围。
根据本发明的一个更加优选实施例,所述HPW溶液的浓度在5mM-20mM的范围,所述Cs2CO3溶液的浓度在2M-4M的范围。
实施例1:
用标准方法处理Nafion212膜:
把Nafion212膜在5wt%的H2O2中80℃煮1小时;再用去离子水洗三遍;最后在去离子水中80℃煮1小时,再用8wt%的H2SO4在80℃煮1小时;再用去离子水洗三遍;最后在去离子水中80℃煮1小时,置于去离子水中保存。
将处理好的Nafion212膜裁成4cm×4cm,取12片,编号1#-12#,将9#-12#保存于去离子水中。
取1#-8#置于60℃的2M的Cs2CO3溶液中,恒温持续搅拌24小时。然后取出,用去离子水清洗完全,把这样得到的Nafion膜称为“Cs-Nafion膜”,将5#-8#封存于去离子水中。
再将1#-4#置于0.02M的HPW溶液中,60℃恒温持续搅拌24小时。取出。以去离子水彻底冲洗3遍,封存于去离子水中。把这样得到的Nafion膜称为“Cs-HPW-Nafion膜”。
测试分析:
电导率与甲醇扩散率表征
分别测定N212,Cs-Nafion,Cs-HPW-Nafion的电导率与甲醇扩散率。测试中发现,在用Cs2CO3对Nafion进行处理后,得到的Cs-Nafion的电阻很大,电导率很小,几乎表现为非质子导体。因此未表征其甲醇扩散率,因为对组装直接甲醇燃料电池而言,不能传导质子的材料甲醇扩散率高低亦无意义。
从测试结果可知,Cs-HPW-Nafion膜的电导率虽然较Nafion略有下降,但仍在质子交换膜性能要求的范围内,而其甲醇扩散系数却下降了一个数量级之多。膜整体性能优化效果显著。
扫描电镜形貌表征
图1所示的是上述实施例中的Cs-HPW-Nafion膜的扫描电镜照片,该照片显示Cs-HPW-Nafion膜表面分布有大量的颗粒,表面不再如其本来那样平整光滑。这些分布的颗粒状物质在膜表面构建了阻碍甲醇扩散通道的功能层,能在很大程度上降低甲醇扩散现象。该照片甲醇扩散系数降低提供了形貌证据。其中样品中的Pt来自于试样的前期喷Pt处理以使其成为电子导体便于扫描电镜观察。
能谱分析表征
图2所示的,是对上述实施例中的Cs-HPW-Nafion膜的表面能谱分析。从图2中可以看出很明显的W元素的吸收峰,这是HPW的标志性元素。Nafion中本身不存在W元素,在能谱上得到的W元素吸收峰表明了很强的HPW结合。在能谱分析之前,试样均在去离子水中润洗浸泡,因此Cs-HPW-Nafion膜中的HPW具有很好的稳定性。组装的HPW在液相中不易流失。
本发明的有益效果包括:
-使N212的甲醇扩散降低了约一个数量级,
-很好地解决了HPW在液相中的流失问题,
-使Cs-HPW-Nafion膜中的HPW实现了很好的稳定性。
应当理解的是,在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的,且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下,可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。
Claims (10)
1.Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法,其特征在于包括:
铯改性处理,从而得到铯改性的Nafion膜;以及
HPW改性处理,从而得到Cs-HPW改性的Nafion膜(“Cs-HPW-Nafion膜”)。
2.根据权利要求1所述的Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法,其特征在于所述铯改性处理包括:
把Nafion膜置于铯盐溶液中,从而得到铯改性的Nafion膜。
3.根据权利要求1所述的Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法,其特征在于所述HPW改性处理包括:
把改性的Nafion膜置于HPW溶液中,从而得到Cs-HPW改性的Nafion膜。
4.根据权利要求2所述的Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法,其特征在于所述铯盐是Cs2CO3。
5.根据权利要求4所述的Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法,其特征在于:
所述HPW改性处理包括把改性的Nafion膜置于HPW溶液中,从而得到Cs-HPW改性的Nafion膜;
其中所述HPW溶液的浓度在5mM-40mM的范围,所述Cs2CO3溶液的浓度在0.5M-6M的范围。
6.根据权利要求4所述的Nafion膜的Cs-HPW表面改性方法,其特征在于:
所述HPW改性处理包括把改性的Nafion膜置于HPW溶液中,从而得到Cs-HPW改性的Nafion膜;
其中所述HPW溶液的浓度在5mM-20mM的范围,所述Cs2CO3溶液的浓度在2M-4M的范围。
7.一种Cs-HPW表面改性的Nafion膜,其特征在于所述Cs-HPW表面改性的Nafion膜是用根据权利要求1-6中的任何一项的方法制备的。
8.一种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膜表面上的铯盐与HPW的反应沉淀颗粒。
9.根据权利要求8所述的Cs-HPW表面改性的Nafion膜,其特征在于所述铯盐是Cs2CO3。
10.根据权利要求8所述的Cs-HPW表面改性的Nafion膜,其特征在于所述反应沉淀颗粒是通过利用磷钨酸(HPW)与碳酸铯(Cs2CO3)的相互作用而引入到所述Nafion膜表面上的。
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