[發(fā)明專利]一種基于接枝聚苯并咪唑作為質(zhì)子導(dǎo)體的氧還原催化層及其制備方法

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• 申請日: 2020-04-21
• 公開（公告）號: CN113527684A
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張海寧;章逸明;郭晶晶
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號: C08G73/18
• 分類號: C08G73/18;H01M8/103;H01M8/1004
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 喬宇

本發(fā)明公開了一種基于接枝聚苯并咪唑作為質(zhì)子導(dǎo)體的氧還原催化層及其制備方法。以聚苯并咪唑和溴代氮雜環(huán)或者溴烷基取代的叔胺化合物經(jīng)接枝和質(zhì)子化反應(yīng)得到聚合物，將其作為質(zhì)子導(dǎo)體和粘接劑并與催化劑活性組分得到燃料電池氧還原催化層。和現(xiàn)有技術(shù)相比，通過將具有優(yōu)良質(zhì)子傳導(dǎo)性能的質(zhì)子化離子液體接枝到PBI主鏈?zhǔn)蛊渚哂懈玫馁|(zhì)子傳導(dǎo)性能且避免質(zhì)子傳導(dǎo)基團隨電極反應(yīng)生成的水而流失；通過氮雜環(huán)的引入提升陰極催化層氧氣的溶解度，并且立體結(jié)構(gòu)的改善優(yōu)化也會提升氧氣的傳輸效率，具有更優(yōu)異的電化學(xué)性能，為低Pt載量燃料電池的發(fā)展提供了相應(yīng)的支撐。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種基于接枝聚苯并咪唑作為質(zhì)子導(dǎo)體的氧還原催化層及其制備方法。

背景技術(shù)

由于對高效、功能強大且環(huán)保的能源設(shè)備的大量需求，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)已成為電動汽車、移動設(shè)備方面最具前景的候選方案。盡管PEMFC技術(shù)發(fā)展迅速，但其仍然面臨水熱管理系統(tǒng)復(fù)雜、環(huán)境適應(yīng)性差以及成本高昂等進一步實用化的技術(shù)瓶頸。而提高燃料電池的工作溫度是解決水熱管理復(fù)雜、提高環(huán)境適應(yīng)性、降低鉑催化劑用量的有效措施之一。因此，高溫質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)作為新一代的質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，是燃料電池走向?qū)嵱没年P(guān)鍵技術(shù)之一。

在質(zhì)子交換膜燃料電池電化學(xué)反應(yīng)過程中，氫氣在陽極被氧化成質(zhì)子，氧氣在陰極被還原并與質(zhì)子結(jié)合生成水，而燃料電池陰極催化層催化氧還原過程對其性能起到?jīng)Q定性的作用。通常，燃料電池陰極催化層主要由作為粘接劑和質(zhì)子導(dǎo)體的聚合物樹脂和Pt/C催化劑組成。對于高溫PEMFC而言，其陰極催化層中的質(zhì)子導(dǎo)體需要滿足在無水高溫條件下具有較好的質(zhì)子傳導(dǎo)性能，因此催化層的組成和設(shè)計是其關(guān)鍵技術(shù)難題。目前高溫PEMFC陰極催化層質(zhì)子導(dǎo)體主要集中在采用具有保水性能的質(zhì)子導(dǎo)體和無機酸摻雜質(zhì)子導(dǎo)體兩類。如中國發(fā)明專利CN1581546A和中國發(fā)明專利 CN101722046A公開了基于無機納米保水顆粒摻雜的全氟磺酸樹脂作為催化層質(zhì)子導(dǎo)體，以達(dá)到燃料電池高溫運行的目的，但該類質(zhì)子導(dǎo)體受材料本身的限制，其工作溫度通常不超過120℃。中國發(fā)明專利CN103490079A、CN105742649A、 CN106558705A等公開了采用無機酸復(fù)合聚合物樹脂材料作為質(zhì)子導(dǎo)體應(yīng)用于燃料電池催化層，可以將燃料電池的工作溫度提高到180℃。但無機酸與催化劑Pt的絡(luò)合作用導(dǎo)致電池性能下降，而且無機酸隨著電極反應(yīng)生成的水而流失導(dǎo)致了電池的壽命較低。因此，通過材料設(shè)計制備穩(wěn)定的、可應(yīng)用于高溫PEMFC的質(zhì)子導(dǎo)體是實現(xiàn)高溫 PEMFC實用化的關(guān)鍵技術(shù)，也是燃料電池的重要研究方向。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種基于接枝聚苯并咪唑作為質(zhì)子導(dǎo)體的氧還原催化層及其制備方法。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下方案：

基于接枝聚苯并咪唑的質(zhì)子導(dǎo)體，其結(jié)構(gòu)如式Ⅰ所示：

其中M-:H₂PO₄^-,CF₃SO₃^-,CF₃CF₂CF₂CF₂SO₃^-,TFSI-

m取值范圍：0-4；n取值范圍：40-150,TFSI-為雙三氟烷基磺酰亞胺離子

式Ⅰ

基于接枝聚苯并咪唑的質(zhì)子導(dǎo)體的制備方法，可通過以下步驟來實現(xiàn)：

(1)將聚苯并咪唑(PBI)和溴代氮雜環(huán)或者溴烷基取代的叔胺化合物經(jīng)接枝反應(yīng)得到聚合物，所述聚苯并咪唑主鏈上咪唑環(huán)與接枝物溴代氮雜環(huán)或者溴烷基取代的叔胺化合物的摩爾比為1：1～4：1；

(2)將上述聚合物經(jīng)與強酸的質(zhì)子化反應(yīng)，得到基于接枝PBI的質(zhì)子導(dǎo)體。