[發明專利]燃料電池用聚芳基哌啶的無醚鍵陰離子交換膜及制備方法

在審

• 申請號: 202110160218.3
• 申請日: 2021-02-05
• 公開（公告）號: CN112778558A
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 王哲;張弘宇;杜鑫明
• 申請（專利權）人: 長春工業大學
• 主分類號: C08J5/22
• 分類號: C08J5/22;C08G61/12;C08L65/00;H01M8/1023;H01M8/1069;H01M8/1072;H01M8/1086
• 代理公司: 蘇州和氏璧知識產權代理事務所(普通合伙) 32390
• 代理人: 李曉星

燃料電池用聚芳基哌啶的無醚鍵陰離子交換膜及制備方法，該陰離子交換膜按接枝溴代正丁烷與溴乙醇摩爾比不同進行制備：其中接枝溴代正丁烷與溴乙醇摩爾比為：a：b，a、b均為2~8的偶數且a+b=10，該陰離子交換膜的主鏈為無醚鍵的聚聯苯哌啶提高了堿性穩定性，在提升了耐堿性的同時通過在側鏈上接枝不同比例的溴乙醇和溴代正丁烷來改變其微相分離結構，以解決陰離子交換膜耐堿性和傳導率平衡的問題，實驗結果表明：本發明的聚芳基哌啶的無醚鍵陰離子交換膜在80℃時的離子傳導率為0.47 S/cm～0.61 S/cm，該陰離子交換膜厚度為22～26μm。

技術領域

本發明涉及高分子化學和陰離子交換膜燃料電池，具體為燃料電池用聚芳基哌啶的無醚鍵陰離子交換膜及制備方法。

背景技術

近年來，為了追求經濟快速發展，人們過度采用化石能源，造成能源枯竭、環境污染等問題，此時，燃料電池作為一種新型可再生能源逐漸進入各國研究者的視線中。目前，大部分的研究集中在質子交換膜燃料電池領域內，但由于其催化劑需要采用稀少的貴金屬，極大的限制了質子交換膜燃料電池的推廣與發展。相比之下，陰離子交換膜燃料電池具有燃料氧化速率快、液體醇燃料滲透率低及可使用非貴金屬催化劑等優勢，有著廣闊的應用前景因此，陰離子交換膜燃料電池的研究受到研究者的廣泛關注。

陰離子交換膜作為陰離子交換膜燃料電池的核心部件，其性能直接決定了陰離子交換膜燃料電池的性能。目前研究的陰離子交換膜材料的種類也十分繁多，聚醚砜、聚醚酮、聚乙烯醇、聚苯醚等都可以作為陰離子交換膜基質材料。陰離子交換膜也有很多的優點可以選擇價格低廉的催化劑來代替貴金屬催化劑，使燃料電池的使用成本大幅度降低并且其大范圍的應用也可以不用依賴于現有的資源儲量，有利于大面積的推廣應用，這無疑是推進燃料電池迅速發展的重大突破。

發明內容

針對上述情況，為克服現有技術的缺陷，本發明提供燃料電池用聚芳基哌啶的無醚鍵陰離子交換膜及制備方法，該陰離子交換膜具有較高的離子傳導率和較強的耐堿穩定性，同時，該制備方法操作簡單、成本較低、前景廣闊。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：本發明該陰離子交換膜按接枝溴代正丁烷與溴乙醇摩爾比不同進行制備：

其中接枝溴代正丁烷與溴乙醇摩爾比為：a：b，a、b均為2~8的偶數且a+b=10；

所述的，結構式如式Ⅰ所示：

。

本發明提供燃料電池用聚芳基哌啶的無醚鍵陰離子交換膜的制備方法，包括如下步驟：

步驟一：在冰水浴條件下將聯苯與N-甲基-4-哌啶酮在二氯甲烷中混合均勻；緩慢滴加三氯乙酸與二氯甲烷磺酸，反應4個小時后出料于碳酸鉀溶液中，得到白色固體即聚芳基哌啶主鏈；

步驟二：將步驟一所得白色固體溶解于NMP中得到聚合物溶液；

步驟三：加入不同摩爾比的溴代正丁烷與溴乙醇，溴代正丁烷與溴乙醇的摩爾比為：a：b，a、b均為2~8的偶數且a+b=10；

步驟四：將步驟三得到的成膜液采用流延法延流成膜，即得到聚芳基哌啶陰離子交換膜。

根據上述技術方案：所述的步驟一具體為：在反應容器中加入0.02mol聯苯和0.024molN-甲基-4-哌啶酮并加入溶劑溶解混合均勻，在降溫至0℃后加入1.5mL三氯乙酸并緩慢加入14.4mL三氟甲烷磺酸，在反應4小時后出于飽和碳酸鉀溶液后，剪碎，煮沸，洗滌即得到聚芳基哌啶主鏈。

根據上述技術方案：所述的溶劑為二氯甲烷。

有益效果：本發明首先提供一種燃料電池用聚芳基哌啶的無醚鍵陰離子交換膜，該陰離子交換膜的主鏈為無醚鍵的聚聯苯哌啶提高了堿性穩定性，在提升了耐堿性的同時通過在側鏈上接枝不同比例的溴乙醇和溴代正丁烷來改變其微相分離結構，以解決陰離子交換膜耐堿性和傳導率平衡的問題，實驗結果表明：本發明的聚芳基哌啶的無醚鍵陰離子交換膜在80℃時的離子傳導率為0.47 S/cm～0.61 S/cm，該陰離子交換膜厚度為22～26μm。