[發明專利]一種聚丙烯酸-聚苯并咪唑交聯型高溫質子交換膜材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202210433066.4
• 申請日: 2022-04-24
• 公開（公告）號: CN114784345A
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 孟躍中;蔣俊俏;王拴緊;肖敏;韓東梅
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H01M8/1018
• 分類號: H01M8/1018;H01M8/1069
• 代理公司: 廣州市深研專利事務所(普通合伙) 44229
• 代理人: 姜若天

本發明公開了一種聚丙烯酸?聚苯并咪唑交聯型高溫質子交換膜材料及其制備方法。本發明以高分子量的聚丙烯酸作為基材，以氨基封端的低分子量聚苯并咪唑作為交聯劑，通過將兩者的溶液混合，溶液澆鑄法原位熱交聯而制得共價交聯膜，其中氨基封端的低分子量聚苯并咪唑由二酸與3，3’?二氨基聯苯胺在高溫下脫水縮合合成。該交聯膜的成本較低，易于制備，摻雜磷酸后在高溫下具有優良的質子傳導率和化學穩定性，在燃料電池用高溫質子交換膜材料領域具有極大的應用潛力。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術和高分子材料領域，涉及一種具有交聯網狀結構的高溫質子交換膜材料及其制備方法。

背景技術

燃料電池由于其具有高效率，高能量密度和無污染等優點，已經成為當今重要的清潔能源轉換技術，可用于汽車、固定式和便攜式電源的實際應用。

高溫質子交換膜燃料電池(HT-PEMFC)因其工作溫度在100℃以上，與傳統的低溫質子交換膜燃料電池相比，具有簡化的水熱管理系統、高CO耐受性以及更快的電極反應動力學等優點。作為HT-PEMFC的核心材料，高溫質子交換膜在高溫下傳導質子并在電極中起到隔離供給氣體的作用。迄今為止，大量研究主要集中在非揮發性無機酸(即磷酸)摻雜的堿性聚合物膜上。最具代表性的是磷酸摻雜型聚苯并咪唑(PBI)膜，它首先由Wainright等人于1995年開發出來。PBI聚合物重復單元中有兩個苯并咪唑基團，可以與磷酸分子摻雜并通過酸堿和氫鍵相互作用以實現質子轉移，在無水條件下具有良好的熱穩定性和優異的質子傳導性。然而合成PBI需要用到大量昂貴的原料(3，3’-二氨基聯苯胺)，以及摻雜磷酸后機械性能嚴重損失限制了其在HT-PEMFC中的進一步發展。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種低成本、質子傳導率和氧化穩定性優異的具有交聯網狀結構的高溫質子交換膜材料。

本發明的另一目的在于提供一種具有交聯網狀結構的高溫質子交換膜材料的制備方法。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種聚丙烯酸-聚苯并咪唑交聯型高溫質子交換膜材料，由聚丙烯酸與氨基封端的聚苯并咪唑交聯而得。

作為優選的，在上述的聚丙烯酸-聚苯并咪唑交聯型高溫質子交換膜材料中，所述氨基封端的聚苯并咪唑具有如下的結構：

其中代表二酸的鏈結構。

作為優選的，在上述的聚丙烯酸-聚苯并咪唑交聯型高溫質子交換膜材料中，所述氨基封端的聚苯并咪唑是由二酸和3，3’-二氨基聯苯胺通過在180～210℃下脫水縮合而得；二酸和3，3’-二氨基聯苯胺的摩爾比為1：1.3～1：2。

作為優選的，在上述的聚丙烯酸-聚苯并咪唑交聯型高溫質子交換膜材料中，所述二酸的結構式如下：

作為優選的，在上述的聚丙烯酸-聚苯并咪唑交聯型高溫質子交換膜材料中，通過調節氨基封端的聚苯并咪唑中的二氨基官能團與聚丙烯酸中的羧基的摩爾比為5～25％，控制所制備交換膜材料的交聯度。

作為優選的，在上述的聚丙烯酸-聚苯并咪唑交聯型高溫質子交換膜材料中，所述聚丙烯酸與氨基封端的聚苯并咪唑是在極性非質子溶劑中溶解混合后，通過溶液澆鑄法原位熱交聯制得。

作為優選的，在上述的聚丙烯酸-聚苯并咪唑交聯型高溫質子交換膜材料中，所述極性非質子溶劑為二甲基亞砜。

作為優選的，在上述的聚丙烯酸-聚苯并咪唑交聯型高溫質子交換膜材料中，所述熱交聯的溫度為140～170℃，保持12～36h。

作為優選的，在上述的聚丙烯酸-聚苯并咪唑交聯型高溫質子交換膜材料中，所述聚丙烯酸的分子量為250000KDa～600000KDa。