[發明專利]一種含氨基的聚芳醚酮砜/陽離子型金屬有機框架陰離子交換膜及其制備方法

在審

• 申請號: 202110447648.3
• 申請日: 2021-04-25
• 公開（公告）號: CN113185738A
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 徐晶美;任佳會;陳璇;巨盟池;雷錦軒;趙鵬云;孟令鑫;王哲
• 申請（專利權）人: 長春工業大學
• 主分類號: C08J5/22
• 分類號: C08J5/22;C08L81/06;C08L87/00;H01M8/083
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本發明公開了一種燃料電池用含氨基的聚芳醚酮砜/陽離子型金屬有機框架陰離子交換膜，其中含氨基的聚芳醚酮砜與陽離子型D?UiO?66?NH₂質量比為1:0.005~0.02，制備的聚芳醚酮砜聚合物中含有氨基，能夠促進形成氫鍵網絡，氫鍵網絡可以幫助抑制膜的溶脹，進一步促進離子傳輸通道的形成；所制備的陽離子型D?UiO?66?NH₂上含有的陽離子基團也可以幫助構建離子傳輸通道，在提高膜的機械穩定性的同時進一步提高離子傳導率，實驗結果表明，本發明的陰離子交換膜在80℃下離子傳導率為0.129?0.184 S cm^?1，該陰離子交換膜的厚度為25.3?35.67μm，這表明其在燃料電池裝置中的應用潛力。研究的基于PAEK的陰離子交換膜是AEMFC開發的很好的候選材料。有望應用于燃料電池領域。

技術領域

本發明屬于高分子化學和堿性燃料電池領域，具體涉及一種含氨基的聚芳醚酮砜/陽離子型金屬有機框架陰離子交換膜及其制備方法。

背景技術

燃料電池是一種電化學的發電裝置，不同于常規意義上的電池，燃料電池直接把化學能轉換成電能，能量轉換效率高（40%-60%）、環境友好，被認為是21世紀首選的潔凈高效的發電技術。質子交換膜燃料電池（PEMFC)因其能量轉換效率高、可靠性高、運行安靜等優點而受到廣泛關注。質子交換膜(PEMs)作為PEMFC的“心臟”，起著質子導體和阻隔燃料與氧化劑的作用。然而，PEMFC的應用要使用貴金屬作為催化劑，從而造成成本高昂。因此，堿性聚合物電解質燃料電池(APEFCs)因其高反應動力學和非貴金屬催化劑的潛在應用而受到越來越多的關注。

陰離子交換膜（AEMs）是APEFCs的關鍵組成部分之一，通常需要具備高離子電導率、良好的尺寸穩定性。聚芳醚酮砜（PAEKS）有良好的成膜能力和熱穩定性，本發明合成了具有氨基的PAEK基質，存在的氨基可以促進氫鍵網絡的形成，幫助抑制膜的溶脹，有利于離子傳輸通道的形成。金屬有機框架（MOFs）是由金屬離子或金屬氧簇與有機配體配位形成的，MOFs可調節的框架結構、孔徑、表面性質、粒徑和可控的客體分子以及豐富的活性位點為其在質子傳導領域帶來了關注。因此，本發明中我們選用帶有氨基的PAEKS作為聚合物基體，往其中引入陽離子型金屬有機框架（C-MOFs），以此來達到提高膜傳導率的同時，保持良好的機械性能和熱穩定性的目的。

發明內容

本發明的目的是為了提供一種含氨基的聚芳醚酮砜/陽離子型金屬有機框架陰離子交換膜及其制備方法，在保持膜良好尺寸穩定性和熱穩定性的同時提高離子電導率。本發明通過往含有氨基的聚芳醚酮砜聚合物中摻雜C-MOFs，可以獲得具有良好性能的陰離子交換膜。

本發明通過以下技術方案實現：

本發明提供了一種含氨基的聚芳醚酮砜/陽離子型金屬有機框架陰離子交換膜的制備方法，該陰離子交換膜由含氨基的聚芳醚酮砜和C-MOF(D-UiO-66-NH₂)組成，其中D-UiO-66-NH₂的添加量分別為聚合物質量的0.5%~2%。

本發明首先提供了一種含氨基的聚芳醚酮砜/陽離子型金屬有機框架陰離子交換膜的制備方法，其中包括以下步驟：

A、將含氨基的聚芳醚酮砜配置為聚合物溶液；

B、將咪唑單體和D-UiO-66-NH₂加入步驟A所得溶液中，制備鑄膜液；

C、將步驟B所得鑄膜液鋪膜得到燃料電池用含氨基的聚芳醚酮砜/陽離子型金屬有機框架陰離子交換膜。

上述方案中步驟A所述含有氨基的聚芳醚酮砜溶液的配置方法為：

將含有氨基的聚芳醚酮砜加入NMP溶液中，室溫下攪拌數小時得到含有氨基的聚芳醚酮砜溶液，其中NMP代表N-甲基-2-吡咯烷酮，溶液的質量體積濃度為0.05g/mL。

上述方案中步驟B所得鑄膜液的制備方法為：