基本信息
- 项目名称：
- 用于直接甲醇燃料电池的壳聚糖/无机杂化膜的制备
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 以解决直接甲醇燃料电池（DMFC）膜阻醇和质子传导能力间的Tradeoff相应、制备高性能直接甲醇燃料电池为目的，以天然廉价的壳聚糖为高分子，通过无机材料（沸石、多功能亚微球）调控膜的自由体积特性和得失质子能力，从而同时提高膜的阻醇和质子传导能力。
- 详细介绍：
- 目前直接甲醇燃料电池膜由于其阻醇能力和质子传导能力的Tradeoff相应及常用的Nafion等膜价格昂贵，制约着DMFC的商业化应用。本作品选用天然廉价的壳聚糖为主体高分子，采用一种简易的方法制备了壳聚糖-无机杂化膜，通过无机材料（沸石、多功能亚微球）加入来调控膜的自由体积特性和得失质子能力，从而同时提高膜的阻醇和质子传导能力，显著地提高了膜的综合性能。所制备杂化膜的选择性是Nafion 117 膜的4倍，同时由于所用材料廉价易得，产品（约100元每平方米）成本远低于Nafion （约8000元每平方米），具有应用于制备高性能直接甲醇燃料电池的潜能。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1. 设计发明的目的和基本思路： 针对目前直接甲醇燃料电池（Direct methanol fuel cell, DMFC）膜的阻醇能力和质子传导间存在的明显的Tradeoff效应，本研究从有机－无机杂化的思想出发通过无机材料调控膜的微观结构及质子传导特性以期突破Tradeoff效应，制备高性能的DMFC膜；同时针对DMFC目前常用的Nafion膜价格昂贵的问题，选用适宜膜材料降低膜的成本。 2. 创新点： 壳聚糖是第二大天然高分子，同时具有优异的醇水分离能力和适度的传导质子能力。适宜的无机物的引入既可通过调节杂化膜界面形态、延长甲醇扩散路径来降低膜的甲醇渗透，又可通过调节膜得失质子的能力来提高膜的质子传导率。 3. 技术关键和主要技术指标： 本作品以壳聚糖为有机高分子，沸石和改性二氧化硅亚微球为无机材料，采用流延法制备一系列的杂化膜，通过测试膜的甲醇渗透率和质子传导率，发现膜的阻醇能力和质子传导能力均显著提高，综合性能评价高于目前商用的Nafion （Du Pont0，其中填充20% 羧酸修饰二氧化硅的杂化膜其综合性能是商用Nafion 117的4.3倍，具有应用于制备高性能直接甲醇燃料电池的潜能。
科学性、先进性
- 作品的科学性、先进性包括： (1) 通过对无机材料适宜的化学改性，提高了有机/无机界面作用力，增强其相容性，改善了无机材料在高分子基质中的分散性能，制备出分散均匀的有机-无机杂化膜； (2) 通过无机材料调控高分子链的排布，减小膜的自由体积并延长了甲醇分子扩散路径，从而提高了膜的阻醇能力； (3) 通过对无机材料的改性，引入质子传导位点并优化了膜得失质子的能力，提高了膜质子传导率，从而解决了DMFC膜的Tradeoff效应。
获奖情况及鉴定结果
- 相关的研究成果已经在能源领域核心期刊Journal of Power sources (Top Journal, SCI一区，IF 2.809)发表论文2篇(178(2008) 9-19和188(2009)64-74)。被主编认为是 “useful contribution, systematic study and interesting and can be useful in a future development”。 论文已被Journal of Physical Chemistry B、Journal of Power Sources等期刊引用3次。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 专利
作品可展示的形式
- 实物、产品和样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.技术优点和优势：直接甲醇燃料电池被认为是适应未来能源和环境要求的理想动力源之一，其核心部件是质子交换膜。目前商用的膜几乎都是全氟磺酸膜，其中最具代表性的是Du Pont公司的Nafion系列膜，其用作DMFC膜时存在着严重的甲醇渗透现象，极大地制约了DMFC技术的应用与发展。本研究采用一种简易的方法制备了壳聚糖-无机杂化膜。通过无机材料调控膜的自由体积特性和得失质子能力，从而改善膜的阻醇和质子传导能力。与Nafion膜相比，其阻醇能力提高了五倍，而质子传导能力仍然维持在较高水平，其综合性能明显提高。 2.适用范围：可适用于特定结构杂化材料的制备；质子交换膜燃料电池，尤其是直接甲醇燃料电池。 3.市场分析和经济效益预测：目前应用于DMFC的质子交换膜价格昂贵，如Nafion 膜价格大约在8000元每平方米，且制备过程污染严重。本研究的产品原料廉价易得，制备过程简单，污染低，产品成本低（约100元每平方米），将其用于DMFC可显著降低其成本，加快其商业化应用和推广，增加经济效益。
同类课题研究水平概述
- 通过在连续的高分子相中加入无机物制备的杂化膜不仅可以同时具有两类材料的优点，而且可能具有新的改善的性能。到目前为止杂化膜被广泛地应用于渗透蒸发和气体分离。由于质子交换膜物质传递的机理类似于上面两种膜过程，我们推测在实现直接甲醇燃料电池商业化的过程中，杂化膜具有巨大的利用潜力。 甲醇渗透造成混合电压、催化剂中毒和燃料浪废，许多研究者通过加入无机填充物调节膜的自由体积特性和改变甲醇扩散路径以降低膜的甲醇渗透率。但由于有机高分子和无机材料相容性差，无机材料易团聚并形成非理想性缺陷，降低了膜的阻醇能力，同时降低了膜的机械性能和热稳定性。质子传导能力直接决定膜的最高电压和输出电流。研究者往往通过对膜材料的化学改性来提高膜的质子传导率，高分子的磺化和磷酸化是常用的改性方法，为了获得高的质子传导率，需要高的磺化度或磷酸化度，但这却导致膜的过度溶胀，进而降低了膜的阻醇能力和机械性能。而对无机颗粒的化学改性(如酸改性)则可以同时提高膜的质子传导能力和阻醇能力，使之成为直接甲醇燃料电池研究的热点。
