[發(fā)明專利]一種含有氮雜環(huán)的聚合物膜的制備方法和應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2021-06-28
• 公開（公告）號(hào): CN113451625B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊景帥;王婷;金亞平;唐維琴;于娜;董建豪;車雪夫;劉瑞紅
• 申請（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M8/1069
• 分類號(hào): H01M8/1069;H01M8/103;H01M8/1067;H01M8/124;H01M8/18;C08G61/02
• 代理公司: 沈陽東大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21109
• 代理人: 寧佳

本發(fā)明的一種含有氮雜環(huán)的聚合物膜的制備方法和應(yīng)用，屬于新材料及膜制備技術(shù)領(lǐng)域，該方法以芳基聯(lián)苯類化合物和吡啶單體為基體材料，通過超酸親電反應(yīng)，將兩種化合物聚合制備得到含有氮雜環(huán)的聚合物膜，成本較低，條件溫和，制備的聚合物膜主鏈中含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)，膜材料透明、均一致密，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，面電阻低、阻釩性能高、抗氧化性強(qiáng)和機(jī)械性能優(yōu)良。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于新材料及膜制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種含有氮雜環(huán)的聚合物膜的制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

化石燃料枯竭的危險(xiǎn)、溫室氣體排放對環(huán)境的長期有害影響，以及對能源安全日益增長的緊迫感，迫使人們從碳?xì)淙剂限D(zhuǎn)向可再生和環(huán)境可持續(xù)的能源。因此，近年來可再生能源技術(shù)引起了科學(xué)界和公眾的極大興趣，在現(xiàn)有的可再生能源中，太陽能和風(fēng)能可能是最豐富和最容易獲得的，這些特點(diǎn)正日益被認(rèn)為是未來全球能源生產(chǎn)的重要組成部分。可再生資源的簡單例子是太陽能和風(fēng)能，由于風(fēng)能和太陽能屬于不連續(xù)不可控的能源，這給人們的日常使用帶來了極大的不便利，因此如何將這種能源轉(zhuǎn)化為可控制，連續(xù)的能源成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。液流電池是新型的大型電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，可以將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在電解液罐中，因其循環(huán)壽命長、電池性能高、容量大等優(yōu)點(diǎn)，作為一種潛在的大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)備受到越來越多的關(guān)注。燃料電池作為使用清潔能源如氫氣的新型供能電池，在廣泛利用可再生能源的呼聲高漲形勢下，也必將越來越受到人們的重視。而離子交換膜作為液流電池和燃料電池中的重要組件，起著傳導(dǎo)離子和阻隔活性物質(zhì)滲透的作用，直接決定著電池的輸出性能和壽命。

離子交換膜是高溫質(zhì)子交換膜燃料電池(HT-PEMFC)和全釩氧化還原液流電池(VRFB)的核心部件，起著傳遞離子和阻隔陽極和陰極兩室的作用，且需要滿足較高的電導(dǎo)率，良好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度等要求。酸摻雜型質(zhì)子交換膜的電導(dǎo)率主要取決于酸摻雜含量，酸摻雜含量越高，電導(dǎo)率越高，面電阻也越低。但是，較高的酸摻雜含量會(huì)顯著降低膜的機(jī)械強(qiáng)度，或增加釩離子透過率，從而影響電池的使用壽命，因此，研究如何提高離子交換膜的電導(dǎo)率，同時(shí)保持良好的機(jī)械性能和阻釩性能，已經(jīng)成為促進(jìn)高溫質(zhì)子交換膜燃料電池(HT-PEMFC)和全釩氧化還原液流電池(VRFB)的進(jìn)一步問題。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種含有氮雜環(huán)的聚合物膜的制備方法和應(yīng)用，具有制備方法簡單，IEM成本低，阻釩性能好，高抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明以芳基單體和吡啶單體為基體材料，通過超酸親電反應(yīng)，將兩種化合物聚合制備得到具有面電阻低、阻釩性能高、抗氧化性強(qiáng)和機(jī)械性能優(yōu)良的膜材料。所制備聚合物電解質(zhì)膜為透明、均一致密的膜材料。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種含有氮雜環(huán)的聚合物膜的制備方法，以芳基聯(lián)苯類化合物和吡啶單體為原料，所述的氮雜環(huán)為吡啶或哌啶，方法包括以下步驟：

步驟一，原料混合，采用以下方式中的一種：

方式1：

(1-1)在冰浴條件下，將芳基單體與吡啶單體混合后，溶解在二氯甲烷中，機(jī)械攪拌混合均勻，獲得混合液，其中，所述的吡啶單體為乙酰基吡啶；

(1-2)向混合液中加入超強(qiáng)酸催化劑，冰浴條件下反應(yīng)3-10min后，撤去冰浴并在室溫下繼續(xù)反應(yīng)，反應(yīng)48-72h，獲得粘性液體；

方式2：

在70-90℃條件下，將芳基聚合物與吡啶單體X混合溶解在二甲基亞砜(DMSO)與N-甲基吡咯烷酮(NMP)混合溶液中，攪拌條件下反應(yīng)24-72h，獲得反應(yīng)后溶液；

步驟二，沉淀反應(yīng)：

(1)將粘性液體/反應(yīng)后溶液倒入沉淀劑中，進(jìn)行沉淀、洗滌，去離子水沖洗至中性，獲得沉淀產(chǎn)物；

(2)將沉淀產(chǎn)物鼓風(fēng)烘干得到聚合物；