[發(fā)明專利]一種共軛型支化陰離子交換膜、制備方法及應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202310496472.X
• 申請(qǐng)日: 2023-05-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN116574371A
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-08-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姚進(jìn);何慶一
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 寧波中科氫易膜科技有限公司
• 主分類號(hào): C08L77/06
• 分類號(hào): C08L77/06;C08J5/22;C08G69/26;C08G69/28;C25B9/23;C25B1/04
• 代理公司: 深圳泛航知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44867
• 代理人: 張智軼

本申請(qǐng)涉及堿性水電解槽技術(shù)領(lǐng)域，具體公開(kāi)了一種共軛型支化陰離子交換膜的制備方法及應(yīng)用，通過(guò)將改變單體、溶劑、催化劑種類與配比，制備了一系列共軛型支化陰離子型聚合物，并以其作為陰離子交換膜核心成分用于堿性電解槽。本申請(qǐng)合成策略簡(jiǎn)便有效，制備成本低，性能優(yōu)良，同時(shí)普適性強(qiáng)，便于工業(yè)化生產(chǎn)，具有較大的應(yīng)用潛力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于堿性水電解槽技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種共軛型支化陰離子交換膜、制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)

發(fā)展綠色氫能對(duì)于優(yōu)化當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)增長(zhǎng)至關(guān)重要。與可再生能源相結(jié)合的電解水制氫技術(shù)將是制備綠色氫能的主要方式，也必將占據(jù)未來(lái)絕大部分的氫能源制備市場(chǎng)。堿水制氫電解槽制造過(guò)程中不使用貴金屬資源，成本低，同時(shí)還具有工作壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，這使得堿水電解制氫成為現(xiàn)階段電解水制氫市場(chǎng)最主要的技術(shù)路線。作為堿性電解水裝置中的關(guān)鍵組分——隔膜在電解槽中起到隔絕氫氧、傳遞離子的作用。理想的隔膜應(yīng)具有高的氣密性、高的電導(dǎo)率以及優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性和耐堿性。現(xiàn)階段市場(chǎng)上的隔膜以比利時(shí)Agfa公司開(kāi)發(fā)的Zirfon系列膜與東麗的PPS布為主。但這兩種膜本身具有很高面電阻，使得電解水制氫能耗過(guò)高，由此造成制氫成本居高不下的問(wèn)題限制了堿性電解水技術(shù)的進(jìn)一步推廣。

陰離子交換膜電解槽(AEMWE)是一種新興的電解水技術(shù)。其中，所使用的陰離子交換膜(AEM)是一類含有堿性活性基團(tuán)、對(duì)陰離子具有選擇透過(guò)性的高分子聚合物膜。致密的均質(zhì)膜可有效防止兩極氫氧的互竄，同時(shí)優(yōu)異的離子傳導(dǎo)性能賦予了AEMWE較高的電流密度。例如，基于聚芳基哌啶類AEM構(gòu)筑的AEMWE在1M?KOH溶液、80℃、鎳基催化劑條件下，電流密度高達(dá)1600mA?cm^-2(Lee,Y.M.Energy?Environ.Sci.,2021,14,6338-6348)，顯示出了良好的應(yīng)用前景。經(jīng)過(guò)多年的努力，研究人員已逐漸開(kāi)發(fā)出一系列具有優(yōu)良綜合性能的AEMs，但是目前大部分文獻(xiàn)報(bào)道的AEMs在聚合單體制備、聚合反應(yīng)或聚合物后功能化過(guò)程中往往需要使用昂貴的過(guò)渡金屬催化劑或高成本高腐蝕性的超酸催化劑，不可避免地造成陰離子交換膜制備成本的提升，很大程度上限制了AEMWE的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。因此發(fā)展簡(jiǎn)便有效的合成策略，制備出成本低、具有優(yōu)良性能的陰離子交換膜材料仍然是目前研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提出了一種共軛型支化陰離子交換膜、制備方法及應(yīng)用，該類膜構(gòu)筑的電解槽展現(xiàn)出優(yōu)異的電解水性能。

為達(dá)到此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種共軛型支化聚合物，結(jié)構(gòu)通式如下：

其中x為支化度(％)，x的范圍為1-20；R為下述結(jié)構(gòu)中的一種或多種：

M結(jié)構(gòu)為下列中的一種或多種：

Q＝F、Cl、Br、I

一種共軛型支化陰離子交換膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)聚合物制備：惰性氣體氛圍、-10-20℃下，將催化劑置于有機(jī)溶劑a中攪拌10-120min后，滴加聚合單體混合液開(kāi)始反應(yīng)。反應(yīng)24-144h后用堿性溶液淬滅，之后萃取得到聚合物前體。將聚合物前體溶于有機(jī)溶劑b中，惰性氣氛下加入胺類溶液，20-80℃下反應(yīng)24-72h，有機(jī)溶劑下沉出聚合物，水洗2-8次后真空干燥得到純粹的聚合物產(chǎn)物。

(2)將步驟(1)所得聚合物溶解在有機(jī)溶劑b中。經(jīng)過(guò)濾、脫泡后澆筑成膜，得到所述共軛型支化陰離子交換膜。

所述惰性氣氛為氮?dú)饣驓鍤猓?/p>

所述催化劑為副族金屬及其相應(yīng)氧化物、鹵化物中的一種或多種；進(jìn)一步優(yōu)選銅、鋅、銅鋅合金、鎂、鋅銀合金、三氯化鈦、四氯化鈦等。