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基本信息

項(xiàng)目名稱：
用于直接甲醇燃料電池的殼聚糖/無(wú)機(jī)雜化膜的制備
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
以解決直接甲醇燃料電池（DMFC）膜阻醇和質(zhì)子傳導(dǎo)能力間的Tradeoff相應(yīng)、制備高性能直接甲醇燃料電池為目的，以天然廉價(jià)的殼聚糖為高分子，通過(guò)無(wú)機(jī)材料（沸石、多功能亞微球）調(diào)控膜的自由體積特性和得失質(zhì)子能力，從而同時(shí)提高膜的阻醇和質(zhì)子傳導(dǎo)能力。
詳細(xì)介紹：
目前直接甲醇燃料電池膜由于其阻醇能力和質(zhì)子傳導(dǎo)能力的Tradeoff相應(yīng)及常用的Nafion等膜價(jià)格昂貴，制約著DMFC的商業(yè)化應(yīng)用。本作品選用天然廉價(jià)的殼聚糖為主體高分子，采用一種簡(jiǎn)易的方法制備了殼聚糖-無(wú)機(jī)雜化膜，通過(guò)無(wú)機(jī)材料（沸石、多功能亞微球）加入來(lái)調(diào)控膜的自由體積特性和得失質(zhì)子能力，從而同時(shí)提高膜的阻醇和質(zhì)子傳導(dǎo)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(shí)由于所用材料廉價(jià)易得，產(chǎn)品（約100元每平方米）成本遠(yuǎn)低于Nafion （約8000元每平方米），具有應(yīng)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(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

1. 設(shè)計(jì)發(fā)明的目的和基本思路： 針對(duì)目前直接甲醇燃料電池（Direct methanol fuel cell, DMFC）膜的阻醇能力和質(zhì)子傳導(dǎo)間存在的明顯的Tradeoff效應(yīng)，本研究從有機(jī)－無(wú)機(jī)雜化的思想出發(fā)通過(guò)無(wú)機(jī)材料調(diào)控膜的微觀結(jié)構(gòu)及質(zhì)子傳導(dǎo)特性以期突破Tradeoff效應(yīng)，制備高性能的DMFC膜；同時(shí)針對(duì)DMFC目前常用的Nafion膜價(jià)格昂貴的問(wèn)題，選用適宜膜材料降低膜的成本。 2. 創(chuàng)新點(diǎn)： 殼聚糖是第二大天然高分子，同時(shí)具有優(yōu)異的醇水分離能力和適度的傳導(dǎo)質(zhì)子能力。適宜的無(wú)機(jī)物的引入既可通過(guò)調(diào)節(jié)雜化膜界面形態(tài)、延長(zhǎng)甲醇擴(kuò)散路徑來(lái)降低膜的甲醇滲透，又可通過(guò)調(diào)節(jié)膜得失質(zhì)子的能力來(lái)提高膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率。 3. 技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)： 本作品以殼聚糖為有機(jī)高分子，沸石和改性二氧化硅亞微球?yàn)闊o(wú)機(jī)材料，采用流延法制備一系列的雜化膜，通過(guò)測(cè)試膜的甲醇滲透率和質(zhì)子傳導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)膜的阻醇能力和質(zhì)子傳導(dǎo)能力均顯著提高，綜合性能評(píng)價(jià)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(yīng)用于制備高性能直接甲醇燃料電池的潛能。

科學(xué)性、先進(jìn)性

作品的科學(xué)性、先進(jìn)性包括： (1) 通過(guò)對(duì)無(wú)機(jī)材料適宜的化學(xué)改性，提高了有機(jī)/無(wú)機(jī)界面作用力，增強(qiáng)其相容性，改善了無(wú)機(jī)材料在高分子基質(zhì)中的分散性能，制備出分散均勻的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化膜； (2) 通過(guò)無(wú)機(jī)材料調(diào)控高分子鏈的排布，減小膜的自由體積并延長(zhǎng)了甲醇分子擴(kuò)散路徑，從而提高了膜的阻醇能力； (3) 通過(guò)對(duì)無(wú)機(jī)材料的改性，引入質(zhì)子傳導(dǎo)位點(diǎn)并優(yōu)化了膜得失質(zhì)子的能力，提高了膜質(zhì)子傳導(dǎo)率，從而解決了DMFC膜的Tradeoff效應(yīng)。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

相關(guān)的研究成果已經(jīng)在能源領(lǐng)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(rèn)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(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

專利

作品可展示的形式

實(shí)物、產(chǎn)品和樣品

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

1.技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：直接甲醇燃料電池被認(rèn)為是適應(yīng)未來(lái)能源和環(huán)境要求的理想動(dòng)力源之一，其核心部件是質(zhì)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(shí)存在著嚴(yán)重的甲醇滲透現(xiàn)象，極大地制約了DMFC技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。本研究采用一種簡(jiǎn)易的方法制備了殼聚糖-無(wú)機(jī)雜化膜。通過(guò)無(wú)機(jī)材料調(diào)控膜的自由體積特性和得失質(zhì)子能力，從而改善膜的阻醇和質(zhì)子傳導(dǎo)能力。與Nafion膜相比，其阻醇能力提高了五倍，而質(zhì)子傳導(dǎo)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(jié)構(gòu)雜化材料的制備；質(zhì)子交換膜燃料電池，尤其是直接甲醇燃料電池。 3.市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：目前應(yīng)用于DMFC的質(zhì)子交換膜價(jià)格昂貴，如Nafion 膜價(jià)格大約在8000元每平方米，且制備過(guò)程污染嚴(yán)重。本研究的產(chǎn)品原料廉價(jià)易得，制備過(guò)程簡(jiǎn)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(yīng)用和推廣，增加經(jīng)濟(jì)效益。

同類課題研究水平概述

通過(guò)在連續(xù)的高分子相中加入無(wú)機(jī)物制備的雜化膜不僅可以同時(shí)具有兩類材料的優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用于滲透蒸發(fā)和氣體分離。由于質(zhì)子交換膜物質(zhì)傳遞的機(jī)理類似于上面兩種膜過(guò)程，我們推測(cè)在實(shí)現(xiàn)直接甲醇燃料電池商業(yè)化的過(guò)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(guò)加入無(wú)機(jī)填充物調(diào)節(jié)膜的自由體積特性和改變甲醇擴(kuò)散路徑以降低膜的甲醇滲透率。但由于有機(jī)高分子和無(wú)機(jī)材料相容性差，無(wú)機(jī)材料易團(tuán)聚并形成非理想性缺陷，降低了膜的阻醇能力，同時(shí)降低了膜的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性。質(zhì)子傳導(dǎo)能力直接決定膜的最高電壓和輸出電流。研究者往往通過(guò)對(duì)膜材料的化學(xué)改性來(lái)提高膜的質(zhì)子傳導(dǎo)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(zhì)子傳導(dǎo)率，需要高的磺化度或磷酸化度，但這卻導(dǎo)致膜的過(guò)度溶脹，進(jìn)而降低了膜的阻醇能力和機(jī)械性能。而對(duì)無(wú)機(jī)顆粒的化學(xué)改性(如酸改性)則可以同時(shí)提高膜的質(zhì)子傳導(dǎo)能力和阻醇能力，使之成為直接甲醇燃料電池研究的熱點(diǎn)。
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