[發明專利]一種含有柔性鏈段的基于哌啶酮與芳烴聚合的陰離子交換膜及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202010903735.0
• 申請日: 2020-09-01
• 公開（公告）號: CN112175170A
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發明（設計）人: 李南文;喬曉琴
• 申請（專利權）人: 中國科學院山西煤炭化學研究所
• 主分類號: C08G61/12
• 分類號: C08G61/12;H01M8/083;H01M8/103;H01M8/1069
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 趙禛

本發明涉及一種含有柔性鏈段的基于哌啶酮與芳烴聚合的陰離子交換膜及其制備方法和應用，屬于堿性水電解槽技術領域，本發明提出一種基于氮哌啶酮與芳烴聚合物，其主鏈分子量高，用堿穩定的哌啶陽離子，并結合了剛性和柔性芳基共聚組成，制得具有可調親水/疏水比例的高分子量聚合物，同時保留哌啶陽離子的高堿性。所得的陰離子交換膜具有較高的氫氧根電導率、適度的吸水溶脹性、優異的成膜性、化學穩定性好和良好的機械性能。

技術領域

本發明屬于堿性水電解槽技術領域，涉及一種多孔聚合物離子交換膜材料，特別涉及一種含有柔性鏈段的基于哌啶酮與芳烴聚合的陰離子交換膜及其制備方法和應用。

背景技術

能源作為人類現代活動的物質基礎，與我們的社會發展和國家戰略規劃密不可分。能源的來源問題和其結構分布是直接影響社會生產的運行和發展的重要因素。隨著目前全球人口基數迅速擴大，我們正處于一個對能源需求日益上漲的時代，不可再生的傳統化石能源已經無法滿足人類各項社會生活活動的需要，人們對于新型可再生能源的尋求變得日益迫切。由于氫氧堿性燃料電池唯一的副產物是水，因此被認為是清潔高效的能源技術之一。作為堿性燃料電池的核心部件之一，堿性陰離子交換膜起到了阻隔燃料和氧化劑，傳輸氫氧根離子的作用，但是目前堿性陰離子交換膜離子傳導率和堿穩定性間存在突出矛盾。

陰離子交換膜作為陰離子交換膜燃料電池的重要部件之一，起到阻隔燃料和氧化劑以及選擇性的傳遞氫氧根離子的作用。陰離子交換膜通常是由聚合物主鏈和荷正電的離子傳導基團組成，聚合物主鏈和離子傳導基團由或長或短的側鏈相連。氫氧根離子傳導率不但取決于聚合物主鏈和離子傳導基團，還取決于離子傳導基團在膜中分布的形貌(Energy Environ Sci,2014,7(10):3135-3191)。離子傳導基團在膜中聚集團簇，與周圍的水分子之間產生氫鍵作用，有助于形成有效的親水/疏水微相分離結構，是形成氫氧根離子高速傳導通道的前提條件(Journal of Membrane Science,2017,522(2)67-91.)。目前有多種方法可以促進親水/疏水微相分離結構的有效形成：比如通過長側鏈的引入，使得側鏈的移動性增加，從而使得親水區域不斷地聚集，便于有效的形成親水/疏水微相分離結構?；蛘?，將側鏈設計成具有多個離子傳導基團的結構，通過提高離子傳導基團的密度，使得親水區域聚集成簇，也有助于形成有效的親水/疏水微相分離結構。再者，構造親水/疏水嵌段結構，所引入的親水主鏈起到了幫助擴大親水區域的作用，也有助于微相分離結構的形成。這里通過控制聚合物陰離子膜的柔性鏈與剛性鏈的比例，來實現親水/疏水微相分離結構的形成。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明的目的是提供一種較高的氫氧根電導率、適度的吸水溶脹性、優異的成膜性、化學穩定性好和良好的機械性能的含有柔性鏈段的基于哌啶酮與芳烴聚合的陰離子交換膜及其制備方法和應用。

本發明的設計構思為：本發明提出一種基于氮哌啶酮與芳烴聚合物，其主鏈分子量高，用堿穩定的哌啶陽離子，并結合了剛性和柔性芳基共聚組成，制得具有可調親水/疏水比例的高分子量聚合物，同時保留哌啶陽離子的高堿性。所得的聚合物同時具有優異的化學穩定性、成膜性，電導率和機械強度。

本發明通過以下技術方案予以實現。

一種含有柔性鏈段的基于哌啶酮與芳烴聚合的陰離子交換膜，包含下述重復結構單元的共聚物：

式中，Ar是含有芳香環的二價有機基團；1、2分別代表了柔性芳烴單體和剛性芳烴單體；R₁和R₂代表相同或不同的取代基；X^—代表Br^—、I^—、Cl^—、OH^—、HCO₃^—或者CO₃^2-；n代表聚合度，n為10～200的正整數，重均分子量在5000～800000之間；m為共聚物中含柔性鏈部分所占摩爾百分比，m為0～100的任意數字。