[發明專利]一種仿Nafion主側鏈化學結構陰離子交換膜的制備方法

有效

• 申請號: 202210060242.4
• 申請日: 2022-01-19
• 公開（公告）號: CN114395111B
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發明（設計）人: 沈春暉;周錦玥;聶逸文;李正漢;高山俊
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: C08G61/02
• 分類號: C08G61/02;C08J5/22;C08L65/00;H01M8/1072
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 劉洋

本發明公開了一種仿Nafion主側鏈化學結構陰離子交換膜的制備方法，首先合成全氟聚二聯苯亞烷高分子聚合物以及帶有多烷基醚鍵長鏈的羥基哌啶季銨鹽白色固體；然后將NaH和四丁基溴化銨(TBAB)溶于DMSO中，Nsubgt;2/subgt;氣氛下，滴加所述羥基哌啶季銨鹽的二甲基亞砜溶液，50?60℃條件下反應2?3h，隨后滴加所述全氟聚二聯苯亞烷高分子聚合物的二甲基亞砜溶液，50?60℃反應6?10h，用乙醇沉淀并洗滌數次，干燥后得到目標樹脂，采用極性溶劑溶解后倒入聚四氟乙烯模盤中，干燥成膜得到全氟聚二聯苯亞烷鍵接多烷基醚鍵側鏈哌啶季銨鹽陰離子交換膜。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，具體涉及一種陰離子交換膜的制備方法。

背景技術

聚合物電解質膜燃料電池因其具有功率密度大、能量轉換效率高、結構緊湊、啟動快速等優勢,可廣泛應用于便攜式電源、緊急備用電源、電動汽車等領域。基于OH-傳輸的堿性陰離子交換膜燃料電池(AEMFCs)相比于基于H⁺傳輸的質子交換膜燃料電池(PEMFCs)有進一步降低電池成本的一些優勢而得到了廣泛的關注和研究。然而，陰離子交換膜作為堿性陰離子交換膜燃料電池的核心部件之一，起到傳遞OH-并隔絕陰陽兩極直接接觸的作用，很大程度上決定著電池的性能和壽命。目前其較低的離子電導率和化學穩定性已成為制約AEMFCs發展的關鍵因素，如何提高AEMs的堿穩定性和氫氧根離子傳導率，制備出能夠商業化應用的AEMs是AEMFC應用亟待解決的問題。

綜觀陰離子交換膜近10年的研究歷程，為了研制出性能優異、能商業化的陰離子交換膜，各國科研工作者的研究方向主要集中在下述幾個方面:開發耐堿穩定的OH-離子傳導基團、設計合成堿穩定性好的聚合物主鏈、選擇合適的連接方式將OH-離子傳導基團與聚合物主鏈鍵接、在聚合物主鏈與OH-離子傳導基團之間引入側鏈對膜的親/疏水微相分離形態進行調控。

在耐堿穩定的聚合物主鏈研究方面，無醚鍵的芳香族聚合物主鏈進入了科研工作者的研究視野，如美國ChulsungBae和Yu?SeungKim課題組于2015年通過強酸催化的Friedel-Crafts?縮聚反應也制備了無芳基醚鍵的聚二聯苯亞烷poly(biphenylalkylene)或聚三聯苯亞烷聚合物poly(terphenyl?alkylene)，研究結果表明，由于苯基-苯基、苯基-C之間較高的鍵解離能使得該聚合物具有很高的耐堿化學穩定性，相比芳基醚鍵聚合物，這種聚亞苯基主鏈聚合物的耐堿穩定性得到了較大的提高，這為制備高耐堿性陰離子交換膜開辟了一種新的聚合物。

在OH-離子傳導基團與聚合物主鏈鍵接方式的研究方面，美國斯坦福大學Frank課題組以及大連理工大學賀高紅課題組在疏水的聚砜主鏈上接枝親水的含有醚氧鍵的柔性烷基側鏈,分別制備了季銨型、咪唑型和螺環哌啶型陰離子交換膜，他們的研究結果表明，親水的含有醚氧鍵的柔性烷基側鏈的引入均有利于在膜中形成親/疏水相分離結構，直接導致膜在較低IEC值和低水含量下獲得了較高OH-離子傳導率。

發明內容

目前陰離子交換膜制備過程中大多通過苯環位置和季銨陽離子基團的N位進行鍵接所導致的膜耐堿性不高，本發明目的之一在于選用耐堿穩定的哌啶季銨陽離子和疏水性強的主鏈無芳基醚鍵的全氟聚二聯苯亞烷聚合物，通過哌啶的非N位將其鍵接到全氟聚二聯苯亞烷聚合物主鏈亞烷的C位，大幅提高陰離子交換膜的耐堿性能；本發明目的之二在于通過在哌啶陽離子基團與憎水的全氟聚二聯苯亞烷聚合物主鏈之間引入一定長度的親水烷基醚鍵側鏈，模仿Nafion膜的主側鏈化學結構在陰離子交換膜中構建親疏水微相分離形態，進一步提高陰離子交換膜的OH-離子傳導率。

為達到上述目的，采用技術方案如下：

一種仿Nafion主側鏈化學結構陰離子交換膜的制備方法，包括以下步驟：