[發明專利]一種含亞芳基哌啶與二酮類單體共聚物的陰離子交換膜及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202010903752.4
• 申請日: 2020-09-01
• 公開（公告）號: CN112175217B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 李南文;胡旭;黃瑛達
• 申請（專利權）人: 中國科學院山西煤炭化學研究所
• 主分類號: C08J5/22
• 分類號: C08J5/22;C08G61/12;H01M8/103;H01M8/1069;C08L65/00
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 趙禛

本發明涉及一種含亞芳基哌啶與二酮類單體共聚物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。本發明提出一種含亞芳基哌啶與二酮類單體共聚物，其主鏈由高分子量的無醚鍵，剛性和疏水性芳基骨架組成，并結合了堿穩定高的哌啶陽離子，用高反應性單體二酮與之共聚，可制得具有可調IEC的高分子量聚合物，同時保留哌啶陽離子的高堿性。所得的聚含亞芳基哌啶與二酮類單體共聚物的陰離子交換膜同時證明了優異的化學穩定性、成膜性，電導率和機械強度。

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，特別涉及一種含亞芳基哌啶與二酮類單體共聚物的陰離子交換膜及其制備方法和應用。

背景技術

隨著全球對可替代能源的需求不斷增長，電化學能量存儲和轉換技術如燃料電池(Fuel Cell)、液流電池、超級電容器和水電解已被公認為便攜式，固定式和運輸應用中最可行和最有效的技術。與此同時陰離子交換膜(AEM)技術由于在水電解，氧化還原液流電池和堿性陰離子交換膜燃料電池(AAEMFC)中的廣泛應用而在過去的十年中成為越來越活躍的研究領域。對AAEMFC進行了許多研究，主要是因為它們氧還原動力學方面的優勢，提高了燃料的轉化率，并使用了非貴重的催化劑。然而，AEM的發展因其低離子電導率和化學穩定性而受到阻礙。通常，在一般稀溶液中，H⁺的離子遷移率遠大于OH^-的離子電導率。因此，AEM的離子電導率低于質子交換膜。為了追求高功率密度的燃料電池以及性能優異的堿性電解槽，AEM需要更高的離子電導率。此外，AEM的長期穩定性可以提供良好的機械性能和離子電導率，從而保證了高性能燃料電池和電解水技術的應用。AEM的化學穩定性主要涉及聚合物主鏈和離子基團的堿性穩定性。目前亟待解決的問題是普通的AEM幾乎不能滿足對高性能燃料電池和堿性電解水技術的需求。

傳統上，一些商業聚合物包括聚苯醚(PPO)和聚亞芳基醚酮(PAEK)等離子交換膜的主鏈化學結構中包含芳基醚鍵，很容易受到OH^-或OH自由基的攻擊，從而有加劇離子交換膜的降解(J.Mater.Chem.A,2018,6,15456–15477)。因此，AEM的研究方向轉移向了不含醚鍵結構的聚合物。Miyatake的研究小組報告了一系列基于聚亞苯基亞烷基的陰離子導電聚合物，這些聚合物在1M KOH中具有1000h的合理堿穩定性(Macromolecules,2018,51,3394–3404)。然而，聚亞苯基亞烷基的制備非常復雜且昂貴。Bae小組使用具有高分子量的可溶劑加工的聚(聯苯亞烷基)作為AEM，在95℃下顯示了60d的高堿穩定性(J.Power Sources,2018,375,367–372)。聚(聯苯亞烷基)聚合物可以通過沒有芳基醚鍵的物質來通過超酸催化聚合來制備。這些聚合物具有出色的化學和機械穩定性，適用于AEM主鏈。近年來，通過超酸催化聚合制備的聚亞芳基哌啶已被用作堿性燃料電池的AEM，并且顯示出較高的堿性穩定性(Nature Energy,2019,4,392-398)。此外，基于聚亞芳基哌啶的AEM在80℃，1.5W/cm²的高功率密度的堿性燃料電池中表現出很高的性能。Kim的研究小組報告了一系列聚靛紅聯苯共聚物(PIB)由超強酸催化聚合制得的用作質子交換膜(PEM)。該系列具有很高的熱穩定性和化學穩定性(Int.J.Hydrogen Energy,2018,43,11862–11871)。考慮到它們作為PEM的出色性能且PIB易于制備和功能化，因此也可以用作AEM。大連理工大學的Zhu研究小組將基于PIB作為AEM發現表現出良好的堿性穩定性，氧化耐久性，氫氧根離子電導率和優異的燃料電池性能(J.Mater.Chem.A,2019,7,6883–6893)。可見基于PIB的AEM在陰離子交換膜燃料電池有積極的發展前景。但是上述材料距離商業化要求仍有較大差距。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種較高的氫氧根電導率、具有優異堿穩定性、具有良好機械性能的一種含亞芳基哌啶與二酮類單體共聚物的陰離子交換膜及其制備方法和應用。