[發明專利]一種含吡啶骨架的陰離子交換膜及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201610038425.0
• 申請日: 2016-01-20
• 公開（公告）號: CN105694077B
• 公開（公告）日: 2018-10-19
• 發明（設計）人: 溫樂樂;陸地;薛立新
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: C08J5/22
• 分類號: C08J5/22;C08G75/23;C08G65/40;C08G65/48;C08L81/06;C08L71/10;H01M8/106;C02F1/42;C02F103/08
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 杜軍

本發明公開了一種含吡啶骨架的陰離子交換膜及其制備方法與應用。本發明所提供含吡啶骨架的陰離子交換膜具有如式(Ⅰ)所示結構。本發明采用含有吡啶骨架的聚醚酮或/和聚醚砜類的聚芳醚化合物為主鏈，以季銨鹽側基為側鏈，經涂覆法制備而成。此種含吡啶骨架的陰離子交換膜具有比較高的離子傳導性能、優良的機械性能、熱穩定性能以及化學穩定性，可以作為電池隔膜應用到堿性陰離子交換膜燃料電池和全釩液流電池中。同時，此種陰離子交換膜還可用于電滲析、海水淡化、污水處理等領域。

技術領域

本發明涉及電化學領域和高分子膜材料領域，具體涉及一種含吡啶骨架的聚芳醚化合物、陰離子交換膜及其制備方法與應用。

背景技術

燃料電池被認為是二十一世紀最具發展前景的能量轉換設備之一。質子交換膜燃料電池，由于需使用價格昂貴的全氟磺酸膜和貴金屬催化劑，同時還存在甲醇燃料滲透以及中間產物導致電極催化劑中毒等缺陷，嚴重阻礙了其進一步大規模的市場化應用。為了克服這些技術問題，科研工作者提出了堿性陰離子交換膜燃料電池(AAEMFCs)概念，它是一種在堿性環境下工作的燃料電池技術，與質子交換膜燃料電池相比，具有明顯的特點和優勢：能夠有效地阻隔陰陽兩極的燃料和氧化劑，甲醇滲透率低；具有比在質子交換膜燃料電池中更快的反應速度；不會造成電極催化劑中毒；可使用Ag，Ni，Co等地球儲量豐富的過渡金屬，避免了必須使用貴金屬催化劑的情況，大大降低了生產成本。

作為AAEMFCs的重要組成部分，陰離子交換膜的性能對電池的性能具有重要影響。AAEMFCs中的陰離子交換膜，需要有比較高的離子電導率、高的化學穩定性和熱穩定性以及良好的機械性能等。目前陰離子交換膜存在在AAEMFCs中電導率低、化學穩定性差的問題。能否制備出含有高OH^-電導率的同時保持適當的溶脹度、具有足夠的機械強度和化學穩定性并能夠耐80℃以及以上的高溫是AAEMFCs陰離子交換膜商業化面臨的重要挑戰之一。陰離子交換膜的主鏈一般由聚芳醚類化合物或脂肪鏈聚合物構成，側基由帶電荷的季銨鹽基團構成。聚芳醚化合物具有卓越的熱穩定性、機械性能和耐腐蝕性能，在燃料電池離子交換膜材料領域受到廣泛的應用。因此，開發一種離子電導率高、熱穩定性和化學穩定性好、低成本的聚芳醚類陰離子交換膜具有非常重要的實用意義。

本發明說明了基于含有吡啶骨架的聚芳醚化合物具有比較高的熱穩定性，其陰離子交換膜具有比較高的離子傳導率、機械性能、化學穩定性以及熱穩定性能，能夠作為陰離子交換膜應用在堿性陰離子交換膜燃料電池和全釩液流電池中。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種含吡啶骨架的陰離子交換膜，該陰離子交換膜具有比較高的離子電導率和化學穩定性，主鏈由聚芳醚化合物構成，同時具有良好的機械性和熱穩定性能。

本發明的技術方案如下：

一種含吡啶骨架的陰離子交換膜為如下式(Ⅰ)所示的含吡啶基團和季銨鹽側基的聚芳醚化合物：

其中x和y代表聚合度，x＝1～200且y＝1～200，0<x/(x+y)<1且0<y/(x+y)<1,聚合物的相對分子量為10000～100000；Q可為氫原子、甲基或季銨鹽基團；

中的任意一種。

所述的和各自獨立選自式(1)～式(3)中的一種：

當Q＝氫原子時：選自下式(4)～式(6)中的任意一種：

T＝甲基或季銨鹽基團。

當Q＝甲基或季銨鹽基團時，選自下式(7)～式(12)中的任意一種：

優選的，側鏈季銨鹽基團可為如下取代基中的任意一種：