基本信息
- 項目名稱：
- 用于直接甲醇燃料電池的殼聚糖/無機雜化膜的制備
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 以解決直接甲醇燃料電池（DMFC）膜阻醇和質子傳導能力間的Tradeoff相應、制備高性能直接甲醇燃料電池為目的，以天然廉價的殼聚糖為高分子，通過無機材料（沸石、多功能亞微球）調控膜的自由體積特性和得失質子能力，從而同時提高膜的阻醇和質子傳導能力。
- 詳細介紹：
- 目前直接甲醇燃料電池膜由于其阻醇能力和質子傳導能力的Tradeoff相應及常用的Nafion等膜價格昂貴，制約著DMFC的商業(yè)化應用。本作品選用天然廉價的殼聚糖為主體高分子，采用一種簡易的方法制備了殼聚糖-無機雜化膜，通過無機材料（沸石、多功能亞微球）加入來調控膜的自由體積特性和得失質子能力，從而同時提高膜的阻醇和質子傳導能力，顯著地提高了膜的綜合性能。所制備雜化膜的選擇性是Nafion 117 膜的4倍，同時由于所用材料廉價易得，產(chǎn)品（約100元每平方米）成本遠低于Nafion （約8000元每平方米），具有應用于制備高性能直接甲醇燃料電池的潛能。
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 1. 設計發(fā)明的目的和基本思路： 針對目前直接甲醇燃料電池（Direct methanol fuel cell, DMFC）膜的阻醇能力和質子傳導間存在的明顯的Tradeoff效應，本研究從有機－無機雜化的思想出發(fā)通過無機材料調控膜的微觀結構及質子傳導特性以期突破Tradeoff效應，制備高性能的DMFC膜；同時針對DMFC目前常用的Nafion膜價格昂貴的問題，選用適宜膜材料降低膜的成本。 2. 創(chuàng)新點： 殼聚糖是第二大天然高分子，同時具有優(yōu)異的醇水分離能力和適度的傳導質子能力。適宜的無機物的引入既可通過調節(jié)雜化膜界面形態(tài)、延長甲醇擴散路徑來降低膜的甲醇滲透，又可通過調節(jié)膜得失質子的能力來提高膜的質子傳導率。 3. 技術關鍵和主要技術指標： 本作品以殼聚糖為有機高分子，沸石和改性二氧化硅亞微球為無機材料，采用流延法制備一系列的雜化膜，通過測試膜的甲醇滲透率和質子傳導率，發(fā)現(xiàn)膜的阻醇能力和質子傳導能力均顯著提高，綜合性能評價高于目前商用的Nafion （Du Pont0，其中填充20% 羧酸修飾二氧化硅的雜化膜其綜合性能是商用Nafion 117的4.3倍，具有應用于制備高性能直接甲醇燃料電池的潛能。
科學性、先進性
- 作品的科學性、先進性包括： (1) 通過對無機材料適宜的化學改性，提高了有機/無機界面作用力，增強其相容性，改善了無機材料在高分子基質中的分散性能，制備出分散均勻的有機-無機雜化膜； (2) 通過無機材料調控高分子鏈的排布，減小膜的自由體積并延長了甲醇分子擴散路徑，從而提高了膜的阻醇能力； (3) 通過對無機材料的改性，引入質子傳導位點并優(yōu)化了膜得失質子的能力，提高了膜質子傳導率，從而解決了DMFC膜的Tradeoff效應。
獲獎情況及鑒定結果
- 相關的研究成果已經(jīng)在能源領域核心期刊Journal of Power sources (Top Journal, SCI一區(qū)，IF 2.809)發(fā)表論文2篇(178(2008) 9-19和188(2009)64-74)。被主編認為是 “useful contribution, systematic study and interesting and can be useful in a future development”。 論文已被Journal of Physical Chemistry B、Journal of Power Sources等期刊引用3次。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 專利
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品和樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 1.技術優(yōu)點和優(yōu)勢：直接甲醇燃料電池被認為是適應未來能源和環(huán)境要求的理想動力源之一，其核心部件是質子交換膜。目前商用的膜幾乎都是全氟磺酸膜，其中最具代表性的是Du Pont公司的Nafion系列膜，其用作DMFC膜時存在著嚴重的甲醇滲透現(xiàn)象，極大地制約了DMFC技術的應用與發(fā)展。本研究采用一種簡易的方法制備了殼聚糖-無機雜化膜。通過無機材料調控膜的自由體積特性和得失質子能力，從而改善膜的阻醇和質子傳導能力。與Nafion膜相比，其阻醇能力提高了五倍，而質子傳導能力仍然維持在較高水平，其綜合性能明顯提高。 2.適用范圍：可適用于特定結構雜化材料的制備；質子交換膜燃料電池，尤其是直接甲醇燃料電池。 3.市場分析和經(jīng)濟效益預測：目前應用于DMFC的質子交換膜價格昂貴，如Nafion 膜價格大約在8000元每平方米，且制備過程污染嚴重。本研究的產(chǎn)品原料廉價易得，制備過程簡單，污染低，產(chǎn)品成本低（約100元每平方米），將其用于DMFC可顯著降低其成本，加快其商業(yè)化應用和推廣，增加經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 通過在連續(xù)的高分子相中加入無機物制備的雜化膜不僅可以同時具有兩類材料的優(yōu)點，而且可能具有新的改善的性能。到目前為止雜化膜被廣泛地應用于滲透蒸發(fā)和氣體分離。由于質子交換膜物質傳遞的機理類似于上面兩種膜過程，我們推測在實現(xiàn)直接甲醇燃料電池商業(yè)化的過程中，雜化膜具有巨大的利用潛力。 甲醇滲透造成混合電壓、催化劑中毒和燃料浪廢，許多研究者通過加入無機填充物調節(jié)膜的自由體積特性和改變甲醇擴散路徑以降低膜的甲醇滲透率。但由于有機高分子和無機材料相容性差，無機材料易團聚并形成非理想性缺陷，降低了膜的阻醇能力，同時降低了膜的機械性能和熱穩(wěn)定性。質子傳導能力直接決定膜的最高電壓和輸出電流。研究者往往通過對膜材料的化學改性來提高膜的質子傳導率，高分子的磺化和磷酸化是常用的改性方法，為了獲得高的質子傳導率，需要高的磺化度或磷酸化度，但這卻導致膜的過度溶脹，進而降低了膜的阻醇能力和機械性能。而對無機顆粒的化學改性(如酸改性)則可以同時提高膜的質子傳導能力和阻醇能力，使之成為直接甲醇燃料電池研究的熱點。
