一种中高温质子交换膜燃料电池用无机固体电解质膜材料的制备方法与流程

本发明涉及一种中高温质子交换膜燃料电池用无机固体电解质膜材料的制备方法，通过在制备电解质膜过程中掺杂mxene以提高焦磷酸盐的电导率，使得电解质在150℃以上仍能表现出较好的质子电导率，属于新能源燃料电池技术领域。

背景技术

寻求以低能耗、低污染、低排放为目标的新型能源是目前全球发展的重要目标之一。其中作为氢能应用终端的燃料电池是高效、无污染的将化学能直接转化为电能的装置，因此受到广泛关注。

燃料电池中以质子交换膜为电解质的质子交换膜燃料电池(pemfcs)因具有高效、启动快、能量转化效率高等特色，是目前最具有商业化应用前景的燃料电池。其通常使用温度在100℃以下，但通常要求贵金属催化剂，使得成本增加。如在更高的温度下(≥100℃)，电极反应动力学速度会进一步提高，催化剂对co等毒化物质的耐受力增强，并可以进一步简化pemfcs中的水管理体系，因此是目前研究的热点。但是过高的温度(≥500℃)对pemfcs的部件材料的要求苛刻，配套材料选择余地有限。因此，统筹考虑高温和低温下pemfcs的优缺点，发展中温(100-500℃)pemfcs是具有重要意义的。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心部分，其性能的好坏直接影响燃料电池的整体性能。目前适用于中高温条件的质子交换膜以无机质子陶瓷膜为主。其中金属焦磷酸盐(mp2o7)因其在中高温下(150-400℃)具有一定电导率而被关注，但其电导率仍远低于低温条件下通过液相传输质子的电解质膜，而通过无机材料的混合或掺杂以改善质子传导性能，从而提高电解质性能是目前应用的主要手段。二维纳米材料mxene是通过酸刻蚀max原料获得的表面具有羟基等基团的陶瓷材料，具有良好的机械性能和热稳定性，能够适用于pemfcs的中高温体系，并且其表面的羟基等基团有望为质子的传输提供更多的跳跃位点，从而促进质子电导率。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种中高温质子交换膜燃料电池用无机固体电解质膜材料的制备方法，通过在制备电解质膜过程中掺杂磷酸硼(bpo4)和mxene以提高焦磷酸盐mp2o7的质子传导能力，提高其电解质性能。

本发明中高温质子交换膜燃料电池用无机固体电解质膜材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将mo2和h3po4溶液(质量分数85％)混合，然后加入mxene粉末，在200℃下不断搅拌直至混合物呈粘稠状，随后转移至带盖子的坩埚中，在空气中于500-1000℃烧结1-6小时，冷却至室温后取出，研磨成均匀的粉末，即得到mxene/mp2o7粉末；

mo2中的m为sn、ce或zr。

所述mxene为ti3c2、ti2c、nb3c2、nb2c、tinbc、cr2tic、ti3cn、ti4n3、ta4c3、v2c、mo2c、mo2tic2或(ti0.5nb0.5)2c。

其中mxene粉末的添加量为mo2和mxene粉末总质量的1-30％，mo2和h3po4的摩尔比为1:1-5。

步骤2：将h3po4和h3bo3混合，加热至245-255℃并不断搅拌，直至获得白色浆状前驱体，将所得前驱体转移至带盖坩埚中，并将坩埚放到马弗炉中，在200-500℃下煅烧2-8个小时，将获得的磷酸硼加入去离子水中，配制成磷酸硼溶液；

步骤2中，h3po4和h3bo3的摩尔比为1-6:1。

步骤2中，磷酸硼溶液的浓度为0.05-1mol/l。

步骤3：将mxene/snp2o7粉末和磷酸硼溶液加入滚磨罐中，并加入乙醇，球磨5-72小时，接着放入热空气干燥箱中，在60-120℃下干燥2-20小时，即得到bpo4掺杂的mxene/mp2o7粉体；

磷酸硼的质量占mxene/snp2o7粉末和磷酸硼总质量的1-50％，此处是以磷酸硼计，而不是磷酸硼溶液。

步骤4：取bpo4掺杂的mxene/mp2o7粉体在研钵中研磨成颗粒细小且均匀的粉末，压制成圆片，随后置于马弗炉中，在空气气氛下于300-500℃烧结1-10小时，得到电解质膜材料。

压制压力为10-500mpa；压制所得圆片的直径为1-30mm，厚度为0.1-100mm。

本发明制备的电解质膜材料的适用温度为100-500℃。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

通过对电解质粉体和膜的一些基本性能测试，来表征mp2o7/bpo4和mxene/mp2o7/bpo4的质子传导性能。利用电化学工作站分别测量两种电解质膜的电导率，并对微观形貌进行表征，对两种电解质材料进行热重分析。通过数据对比，本发明mxene/mp2o7/bpo4电解质膜更为致密，电导率较高，且热稳定性高于mp2o7/bpo4。

附图说明

图1是snp2o7/bpo4复合电解质微观形貌图。

图2是ti3c2/snp2o7/bpo4复合电解质微观形貌图。

图3是150-250℃时ti3c2/snp2o7/bpo4和snp2o7/bpo4电导率变化曲线对比图。

图4是snp2o7/bpo4和ti3c2/snp2o7/bpo4复合电解质的热重分析对比图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例中采用反应过程中添加掺杂物的方法制备电解质膜材料，其制备方法如下：

1、sno2和h3po4溶液(质量分数85％)在室温下混合，sno2和h3po4的摩尔比为1:2.5，再加入ti3c2，其中ti3c2的添加量为sno2和ti3c2总质量的3％，在200℃下均匀搅拌8小时，直至混合物呈粘稠状，随后转移至带盖子的坩埚中，在空气中于600℃烧结2小时，冷却至室温后取出，研磨成均匀的粉末，即得到ti3c2/snp2o7粉末。

2、将h3po4和h3bo3按摩尔比3.3:1混合，加热至250℃并不断搅拌，直至获得白色浆状前驱体，将所得前驱体转移至带盖坩埚中，并将坩埚放到马弗炉中，在300℃煅烧6小时，将获得的磷酸硼加入去离子水中，配制成0.05mol/l的磷酸硼溶液；

3、将ti3c2/snp2o7粉末和质量分数为30％的磷酸硼溶液加入滚磨罐中，并添加刚玉球(其中刚玉球与混合物质量比为5:1)和质量分数为20％的乙醇溶液，滚磨24小时，接着放入热空气干燥箱中，在120℃下干燥5小时，即得到bpo4掺杂的ti3c2/snp2o7粉体；

磷酸硼的质量占ti3c2/snp2o7粉末和磷酸硼总质量的30％。

4、取0.35gbpo4掺杂的ti3c2/snp2o7粉体在研钵中研磨成颗粒细小且均匀的粉末，再以200mpa压制压力压制成直径为14mm、厚度为0.75mm的圆片，随后置于马弗炉中，在空气气氛下于450℃烧结2小时，升温速率为3℃/min，得到电解质膜材料。

实施例2：

本实施例中采用反应过程中添加掺杂物的方法制备电解质膜材料，其制备方法如下：

1、sno2和h3po4溶液(质量分数85％)在室温下混合，sno2和h3po4的摩尔比为1:3，再加入ti2c，其中ti2c的添加量为sno2和ti2c总质量的5％，在200℃下均匀搅拌8小时，直至混合物呈粘稠状，随后转移至带盖子的坩埚中，在空气中于600℃烧结2小时，冷却至室温后取出，研磨成均匀的粉末，即得到ti2c/snp2o7粉末。

2、将h3po4和h3bo3按摩尔比3.3:1混合，加热至250℃并不断搅拌，直至获得白色浆状前驱体，将所得前驱体转移至带盖坩埚中，并将坩埚放到马弗炉中，在280℃煅烧6小时，将获得的磷酸硼加入去离子水中，配制成0.05mol/l的磷酸硼溶液；

3、将ti2c/snp2o7粉末和质量分数为25％的磷酸硼溶液加入滚磨罐中，并添加刚玉球(其中刚玉球与混合物质量比为5:1)和质量分数为25％的乙醇溶液，滚磨24小时，接着放入热空气干燥箱中，在120℃下干燥5小时，即得到bpo4掺杂的ti2c/snp2o7粉体；

4、取0.35gbpo4掺杂的ti2c/snp2o7粉体在研钵中研磨成颗粒细小且均匀的粉末，再以200mpa压制压力压制成直径为14mm、厚度为0.8mm的圆片，随后置于马弗炉中，在空气气氛下于450℃烧结2小时，升温速率为3℃/min，得到电解质膜材料。

实施例3：

本实施例中采用反应过程中添加掺杂物的方法制备电解质膜材料，其制备方法如下：

1、ceo2和h3po4溶液(质量分数85％)在室温下混合，ceo2和h3po4的摩尔比为1:3，再加入nb2c，其中nb2c的添加量为ceo2和nb2c总质量的15％，在200℃下均匀搅拌8小时，直至混合物呈粘稠状，随后转移至带盖子的坩埚中，在空气中于600℃烧结2小时，冷却至室温后取出，研磨成均匀的粉末，即得到nb2c/cep2o7粉末。

2、将h3po4和h3bo3按摩尔比4:1混合，加热至250℃并不断搅拌，直至获得白色浆状前驱体，将所得前驱体转移至带盖坩埚中，并将坩埚放到马弗炉中，在300℃煅烧6小时，将获得的磷酸硼加入去离子水中，配制成0.1mol/l的磷酸硼溶液；

3、将nb2c/cep2o7粉末和质量分数为20％的磷酸硼溶液加入滚磨罐中，并添加刚玉球(其中刚玉球与混合物质量比为5:1)和质量分数为30％的乙醇溶液，滚磨24小时，接着放入热空气干燥箱中，在120℃下干燥5小时，即得到bpo4掺杂的nb2c/cep2o7粉体；

4、取0.35gbpo4掺杂的nb2c/cep2o7粉体在研钵中研磨成颗粒细小且均匀的粉末，再以200mpa压制压力压制成直径为14mm、厚度为0.7mm的圆片，随后置于马弗炉中，在空气气氛下于450℃烧结2小时，升温速率为3℃/min，得到电解质膜材料。

实施例4：

本实施例中采用反应过程中添加掺杂物的方法制备电解质膜材料，其制备方法如下：

1、zro2和h3po4溶液(质量分数85％)在室温下混合，zro2和h3po4的摩尔比为1:3，再加入nb3c2，其中nb3c2的添加量为zro2和nb3c2总质量的30％，在200℃下均匀搅拌8小时，直至混合物呈粘稠状，随后转移至带盖子的坩埚中，在空气中于600℃烧结2小时，冷却至室温后取出，研磨成均匀的粉末，即得到nb3c2/zrp2o7粉末。

2、将h3po4和h3bo3按摩尔比3.3:1混合，加热至250℃并不断搅拌，直至获得白色浆状前驱体，将所得前驱体转移至带盖坩埚中，并将坩埚放到马弗炉中，在280℃煅烧6小时，将获得的磷酸硼加入去离子水中，配制成0.2mol/l的磷酸硼溶液；

3、将nb3c2/zrp2o7粉末和质量分数为15％的磷酸硼溶液加入滚磨罐中，并添加刚玉球(其中刚玉球与混合物质量比为5:1)和质量分数为35％的乙醇溶液，滚磨24小时，接着放入热空气干燥箱中，在120℃下干燥5小时，即得到bpo4掺杂的nb3c2/zrp2o7粉体；

4、取0.45gbpo4掺杂的nb3c2/zrp2o7粉体在研钵中研磨成颗粒细小且均匀的粉末，再以200mpa压制压力压制成直径为14mm、厚度为0.9mm的圆片，随后置于马弗炉中，在空气气氛下于450℃烧结2小时，升温速率为3℃/min，得到电解质膜材料。

图1、图2分别是snp2o7/bpo4和ti3c2/snp2o7/bpo4复合电解质的微观形貌。snp2o7/bpo4和ti3c2/snp2o7/bpo4复合样品中的bpo4已经均匀混合到snp2o7基体中，且添加质量分数为3％的ti3c2粉末也均匀分散在snp2o7/bpo4基体中。由图2可明显看出ti3c2均匀掺杂的复合膜较致密。ti3c2通过界面之间的作用，使得其和电解质的基体紧密结合构建质子传输通道，提高质子电导率。

图3是snp2o7/bpo4和ti3c2/snp2o7/bpo4复合电解质的电导率图。从图中可明显看出在150℃-250℃测试条件下，掺杂质量分数为3％的ti3c2-mxene后，质子传导率明显高于snp2o7/bpo4。在150℃-250℃测试过程中，snp2o7/bpo4电解质的质子传导率分别从2.1×10^-3s/cm提高至3.8×10^-3s/cm。当温度高于175℃，snp2o7/bpo4电导率出现明显的下降，主要是由于p2o7基团开始脱水，形成偏磷酸和其他的磷酸基团(po4，p3o9等)从而导致电导率降低。在150℃至250℃温度范围内，添加质量分数为3％ti3c2的复合膜质子传导率为6.49×10^-3s/cm持续提高至8.43×10^-3s/cm。复合质子膜电导率高的原因可能是ti3c2表面的含氧基团与磷酸基团结合成氢键，有利于改善复合电解质的热稳定性，从而提高了质子的传输。

图4是snp2o7/bpo4和ti3c2/snp2o7/bpo4粉末在25～1000℃下的热重图。失重过程可以分为三个阶段。在25℃至300℃，snp2o7/bpo4和ti3c2/snp2o7/bpo4质量损失在10％左右。失重归因于粉末中吸附的自由水和游离水的流失，还有部分bpo4的降解；300℃至550℃区间，snp2o7/bpo4和ti3c2/snp2o7/bpo4有较好的热稳定性。550℃以后，ti3c2/snp2o7/bpo4复合电解质热稳定性明显优于snp2o7/bpo4。这可能是ti3c2表面的含氧基团与磷酸基团结合成氢键，有利于提高复合电解质的热稳定性。