質子傳導膜

質子傳導膜是質子交換膜燃料電池的核心所在，主要職能是隔絕燃料和氧化劑，同時傳導離子。最具代表性的是Nafion膜，其具有出色的質子傳導能力、化學穩定性和機械性能。

基本介紹

• 中文名：質子傳導膜
• 外文名：proton conductive membrane
• 制膜方法：溶液流涎法
• 實例：石墨烯質子傳導膜

制膜原理

採用溶液流涎法製備PVDF基材的質子傳導膜。為了適應電池過程對膜材料化學穩定性、耐電化學氧化特性的要求，同時考慮基體聚合物的可溶解特性，選用化學性質穩定的聚偏氟乙烯為基體原料，將其和具有磺酸基團的聚合反應單體烯丙基磺酸鈉（SAS），在強極性溶劑二甲基亞碸中溶解，混合後製成均一溶液。通過加熱引發單體發生聚合反應，和基體高分子形成互穿網路結構的質子傳導膜。基體材料PVDF具備良好的耐化學腐蝕特性和柔韌性， 磺酸基團具有質子交換能力， 提供傳導質子的離子通道。

制膜原理

制膜過程

步驟（1），使用二甲基亞碸作為溶劑，把含氟的高分子化合物聚偏氟乙烯和含有質子傳導功能基團的單體溶解，聚偏氟乙烯在溶液中的濃度用重量百分數表示為3%~45%，含有質子傳導功能基團的單體是指至少含有多於一個磺酸基團和一個碳碳雙鍵的丙烯磺酸鈉，丙烯磺酸鈉在溶液中的濃度用重量百分數表示時為10%~25%；

步驟（2），使用流涎法把步驟（1）得到的溶液在平滑的玻璃表面流涎成薄膜，膜厚在25~400微米之間，在溶劑揮發後形成薄膜，並可從玻璃表面剝離；

步驟（3），把步驟（2）得到的薄膜加熱到40℃~150℃溫度範圍，引發上述含有質子傳導功能的單體發生聚合反應，以便和含氟的高分子化合物聚偏氟乙烯形成高分子鏈互穿網路的質子交換膜，其厚度在15~250微米之間。

膜性能表征

採用CHI-604C型電化學工作站（ 上海辰華公司生產），通過交流阻抗法測量質子傳導膜電導率；化學穩定性採用Fenton試劑氧化法 進 行 測 試；質子傳導膜的爆破強度使用LTD-A型電動不透水儀（天津建築儀器廠生產）通過水壓法進行測試，爆破強度為水壓實驗時膜爆裂時刻的水壓； 膜屈服強度使用AGS-J型電腦式伺服材料試驗機（ 日 本Shimadzu公司生產）採用拉伸實驗測試；膜熱穩定性使用STA409PC型同步熱分析儀（德國耐馳儀器製造有限公司生產）進行熱重實驗測試；在實驗室自製VRB電池組中測試膜的電池實驗性能（開路電壓變化、庫倫效率、能量效率）。

套用

質子傳導膜是現代燃料電池的核心技術，然而當前套用於燃料電池的質子傳導膜效率相對較低，且易發生燃料滲透，導致污染。石墨烯質子傳導膜只有質子才能穿過，因此能夠高效地收集到大氣中的氫氣，且純度非常高，顯著提高發電效率與耐用度。如今的燃料電池所使用的燃料氫氣都是從化石燃料中獲得的，而採用石墨烯的燃料電池只需要以空氣中氫氣為原料，建造出可移動的零污染空氣發電機離我們並不遙遠。

一微米厚的石墨烯氧化膜