[發明專利]二維陰離子交換聚合物的制備方法、制得的聚合物及其應用

有效

• 申請號: 202110418644.2
• 申請日: 2021-04-19
• 公開（公告）號: CN113121735B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 白瑋;章秀麗
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: C08F212/14
• 分類號: C08F212/14;C08F212/34;C08L25/18;C08L29/04;C08J5/22;H01M8/1044;H01M8/1081
• 代理公司: 合肥市浩智運專利代理事務所(普通合伙) 34124
• 代理人: 葉濛濛

本發明公開二維陰離子交換聚合物及其膜的一種制備方法，涉及高分子化學和燃料電池陰離子交換膜技術領域，本發明包括以下步驟：(1)設計合成適合二維自組裝聚合的季銨單體；(2)將季銨鹽單體在極性溶劑的水溶液中自組裝，獲得二維超分子聚集體溶液；(3)向二維超分子聚集體溶液加入自由基引發劑，經充氮氣除氧后進行自由基聚合反應，從而得到二維聚合物；(4)將二維聚合物通過溶液澆鑄法，獲得二維陰離子交換聚合物膜。本發明還提供采用上述方法制得的陰離子交換聚合物膜。本發明的有益效果在于：形成的二維高分子片層表面含有大量季銨親水基團，易形成離子通道，利于陰離子在膜內的高效傳導。

技術領域

本發明涉及高分子化學和燃料電池陰離子交換膜技術領域，具體涉及二維陰離子交換聚合物的制備方法、制得的聚合物及其應用。

背景技術

自從2004年單原子層的石墨材料——石墨烯的研究取得突破性進展以來，二維材料在學術界和企業界受到了越來越多的關注。二維材料是指具有單原子層或幾個原子厚度的層狀結構材料，由于突出的物理和化學性能，在能源存儲、催化、傳感和生物醫學等諸多領域具有廣闊應用前景。

對于二維有機聚合物，通常被定義是一種由共價鍵在二維方向上連接形成的、具有原子或分子厚度的層狀大分子。近年來的研究工作表明，與一維和三維聚合物相比，二維聚合物具有更為獨特的和優異的性能。然而，用于制備一維聚合物和三維聚合物的傳統方法并不適用于二維聚合物的合成，這極大的限制了二維聚合物的研究和應用。因此，發展二維聚合物的合成方法對于推動二維聚合物的發展具有重要的現實意義。

利用潔凈綠色能源替代化石能源是消除環境污染、推動人類社會可持續發展的重要舉措。燃料電池被認為是一種清潔、高效的新能源，因此，各國都在大力進行開發研究。堿性燃料電池由于具有滲透率低、不需要使用貴金屬催化劑等優點，利于降低成本低，更具有實際推廣應用的前景。陰離子交換聚合物膜是堿性燃料電池的核心組件，它的性能直接影響堿性燃料電池的工作效率。

根據文獻調研，到目前為止，堿性燃料電池中所用陰離子交換膜都是基于具有線形結構的一維聚合物或無規交聯成網狀結構的三維聚合物，還未見有二維陰離子交換聚合物的相關報道。制約二維聚合物陰離子交換聚合物膜的發展主要原因是缺乏有效的合成方法，因為一維和三維聚合物的合成方法都不適用于二維聚合物的制備。本發明人提出，將兩親性單體在溶液中的二維自組裝與自由基聚合原理相結合，發展一種便捷、高效、經濟的二維有機聚合物合成方法，用于二維陰離子交換聚合物的合成及其膜的制備。

公開于該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本方法的總體背景的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于提供二維陰離子交換聚合物及其膜的一種制備方法。首先設計合成適用于二維自組裝的兩親性季銨鹽單體，通過“二維組裝聚合”策略，借助分子間非共價作用讓單體在溶液中進行組裝形成二維超分子聚集體，再經過自由基聚合反應形成二維季銨聚合物。由于形成的二維高分子片層表面含有大量的季銨基團，易形成離子通道，十分有利于陰離子在膜內的高效傳導。

本發明通過以下技術手段實現解決上述的技術問題：

二維陰離子交換聚合物的制備方法，包括以下步驟：

(1)單體自組裝：將雙官能團季銨單體A和單官能團季銨單體B溶于極性有機溶劑或水溶液中，在室溫靜置條件下，使季銨單體進行自組裝，獲得二維超分子聚集體；

(2)聚合反應：將自由基引發劑加入二維超分子聚集體溶液中，經過充氮氣除氧氣后，在適當的溫度下進行聚合反應，待反應結束后，停止聚合反應，經透析純化、干燥后，得到二維陰離子交換聚合物；

所述雙官能團季銨單體A的結構通式為：

其中：