[發(fā)明專利]一種交聯(lián)型陰離子膜、制備方法及應(yīng)用

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202210496741.8
• 申請日: 2022-05-09
• 公開（公告）號: CN114914504A
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李梅生;周守勇;趙宜江;肖慧芳;張秀;毛恒洋;薛愛蓮;楊大偉;彭文博;鐘璟;張琪
• 申請（專利權(quán)）人: 淮陰師范學(xué)院
• 主分類號: H01M8/1051
• 分類號: H01M8/1051;H01M8/1027;H01M8/103;H01M8/1032;H01M8/1072;H01M8/1086
• 代理公司: 南京新慧恒誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32424
• 代理人: 鄧唯;胡玲玲

本發(fā)明公開了一種交聯(lián)型陰離子膜、制備方法及應(yīng)用，采用含有大量親水基團的碳量子點作為無機填充材料，以聚砜為聚合物膜基質(zhì)，將交聯(lián)改性與有機?無機改性結(jié)合，制備碳量子點摻雜改性的交聯(lián)型陰離子交換膜，通過改變親水性碳量子點的含量，優(yōu)化陰離子交換膜的親水/疏水微相分離結(jié)構(gòu)，從而提升膜的離子傳導(dǎo)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于陰離子交換膜技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種交聯(lián)型陰離子膜、制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)

燃料電池作為一種清潔能源引起了全世界的關(guān)注，是能源行業(yè)的“新星”。陰離子交換膜 (AEM)是燃料電池的核心部件，是點亮“新星”的“開關(guān)”，對其結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化至關(guān)重要。陰離子交換膜主要由有機高分子主鏈、功能性導(dǎo)離子基團及可自由移動的陰離子。不同結(jié)構(gòu)的有機聚合物主鏈制備出的AEM性能不同。不同結(jié)構(gòu)和數(shù)量導(dǎo)離子基團的引入也會引起AEM性能改變，因此通過對聚合物和導(dǎo)離子基團結(jié)構(gòu)和數(shù)量上的設(shè)計，能夠一定程度上優(yōu)化膜內(nèi)結(jié)構(gòu)，達(dá)到強化AEM性能的效果。

為追求高離子電導(dǎo)率，不斷地引入多導(dǎo)離子基團，增加了聚合物鏈間距。大量吸水容易導(dǎo)致聚合物鏈之間迅速膨脹而發(fā)生溶脹，降低了聚合物的尺寸穩(wěn)定性，抑制了AEM在燃料電池中的應(yīng)用和發(fā)展。

目前，大量研究傾向于利用交聯(lián)改性來緩解尺寸穩(wěn)定性的問題。交聯(lián)改性是將聚合物主鏈通過熱交聯(lián)、紫外輻射、引入化學(xué)交聯(lián)劑等方式來構(gòu)建聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使膜的尺寸穩(wěn)定性更強，是一種針對聚合物主鏈的改性方式。為了規(guī)避高度交聯(lián)帶來的脆性結(jié)果，Han等設(shè)計一種長而柔韌的交聯(lián)劑來提高AEM的機械強度和柔韌性。實驗結(jié)果表明，改性后的AEM 拉伸強度和斷裂伸長率分別為18.6MPa和34.4％，與其他膜相比表現(xiàn)出最佳的性能。Kumari 等以季膦化聚醚醚酮為功能性聚合物基質(zhì)，聚乙二醇為交聯(lián)劑，合成一系機械強度高、導(dǎo)電性能優(yōu)異的AEM。由于PEG的自縮合以及聚合物鏈交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的形成，使得結(jié)構(gòu)連接更為緊密，顯示出較好的機械強度。可見，引入不同的交聯(lián)劑能夠達(dá)到不同的效果，因此合理利用交聯(lián)劑制備新型AEM是可行的方法。

與有機或無機膜相比，有機-無機雜化膜具有優(yōu)良的強度和柔韌性，成膜性能，熱和化學(xué)穩(wěn)定性等，并且能發(fā)展單一膜材料原先所沒有的綜合性能，還可以在一定程度上克服其各自的缺點，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。通過直接共混、溶膠凝膠、層層自組裝等方式制備有機-無機雜化膜。通常采用二氧化鋯、二氧化鈦等無機納米材料，制備出高性能的AEM。 P.F.Msomi等以二氧化鈦為無機納米填充材料采用共混方式制備混和基質(zhì)的陰離子交換膜雜化膜。二氧化鈦優(yōu)異的親水性和良好的形態(tài)受到研究者的青睞。無機納米顆粒的引入能夠顯著提升AEM的吸水性，增強AEM在高溫下的機械性能。然而當(dāng)摻雜量高于某一值時，即無機納米顆粒在膜內(nèi)濃度過高，顆粒易團聚而失去納米效應(yīng)，在膜內(nèi)形成龐大的障礙，阻止離子在通道內(nèi)轉(zhuǎn)移。實驗結(jié)果表明，二氧化鈦摻雜量達(dá)到3％時，離子電導(dǎo)率明顯下降，低于其他比例摻雜的雜化膜。因此需要考慮顆粒較小的無機納米材料，相同質(zhì)量內(nèi)顆粒數(shù)量多，分散開已達(dá)到擴充親水域的目的，同時預(yù)計增加摻雜量而沒有明顯團聚。碳量子點是一種尺寸小于10nm的零維無機納米材料，其內(nèi)部剛性結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，表面結(jié)構(gòu)可選擇合適的前驅(qū)體進(jìn)行有機調(diào)控，是理想的納米填充材料。

將交聯(lián)改性與有機-無機改性結(jié)合，既構(gòu)建聚合物網(wǎng)絡(luò)，又利用納米粒子擴充親水域。為此，本章采用含有大量親水基團的CQDs作為無機填充材料，以熱穩(wěn)定性好、機械強度高的聚砜為聚合物膜基質(zhì)，通過交聯(lián)改性，制備碳量子點摻雜的交聯(lián)型陰離子交換雜化膜。

參考文獻(xiàn)：

(1)Han J,Zhu L,Pan J,et al.Elastic Long-Chain Multication Cross-Linked Anion Exchange Membranes[J].Macromolecules,2017,50(8):3323-3332；