咪唑功能化的聚醚砜陰離子交換膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高分子化學(xué)和陰離子交換膜燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種咪唑功能化 的聚醚砜陰離子交換膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，能源問題是人類不得不面對(duì)的重大難題之一，因此開發(fā)出一種既對(duì)環(huán)境污 染小又兼具高能量轉(zhuǎn)化率的綠色能源成為人類亟待解決的問題之一。燃料電池作為一種21 世紀(jì)高科技產(chǎn)品電池，為人類追求的可再生資源的夢(mèng)想帶來了希望，因其污染小、效率高、 噪音低、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、建設(shè)周期短、易維護(hù)以及成本低，并且燃料電池的體積靈活，通 過對(duì)單電池進(jìn)行多組串聯(lián)，可以組合成各種規(guī)格的燃料電池堆，以滿足生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng) 域，燃料電池的研宄和應(yīng)用已得到了全世界的廣泛關(guān)注。聚合物電解質(zhì)膜可分為兩大類：質(zhì) 子交換膜和陰離子交換膜。作為直接甲醇燃料電池的核心部件，聚合物電解質(zhì)膜綜合性能 不足是直接甲醇燃料電池量產(chǎn)所面臨的最大問題。目前，已開發(fā)的聚合物電解質(zhì)膜材料普 遍存在阻醇性能差和高離子傳導(dǎo)率時(shí)尺寸穩(wěn)定性不足等缺點(diǎn)。即使是具有全氟磺酸結(jié)構(gòu)的 Nafion膜，仍然不能滿足直接甲醇燃料電池的要求。因此，開發(fā)出適用于直接甲醇燃料電池 的高性能聚合物電解質(zhì)膜是推動(dòng)直接甲醇燃料電池商業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵。
[0003] 針對(duì)聚合物電解質(zhì)膜存在的問題，目前的研宄主要集中在兩個(gè)方面：一是致力于 開發(fā)出可替代Nafion膜的具有高阻醇性、高尺寸穩(wěn)定性、高質(zhì)子傳導(dǎo)率、低成本的質(zhì)子交 換膜；二是致力于開發(fā)出可避免使用貴金屬催化劑并具有足夠耐堿穩(wěn)定性和離子傳導(dǎo)率的 陰離子交換膜。然而，目前質(zhì)子交換膜必須使用貴金屬鉑作為催化劑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，即使把全世 界探明的鉑都用來做燃料電池的催化劑，也仍然不能滿足應(yīng)用的需求。對(duì)此，一方面，我們 寄希望于對(duì)催化劑的研宄能夠有突破性的進(jìn)展；另一方面，我們開始開發(fā)綜合性能優(yōu)良的 陰離子交換膜。這是因?yàn)橥ㄟ^研宄發(fā)現(xiàn)，陰離子聚合物電解質(zhì)膜可以使用鎳、錳等非貴金屬 原料的催化劑進(jìn)行催化。這一突破，既使燃料電池的應(yīng)用不受資源的限制，又大大降低了燃 料電池的成本，有望加速燃料電池的推廣應(yīng)用。
[0004] 謝曉峰等人論文（A cross-linked f luorinated poly (aryl etheroxadiazole) s using a thermal cross-linking for anion exchange membranes International Journal ofHydrogen Energy 38(2013) 11038一1044)中公開了通過溴代反應(yīng)，后接枝離子 液體N-甲基咪唑?qū)⒑泄曹椊Y(jié)構(gòu)的氟化聚芳醚噁二唑聚合物制備陰離子交換膜的報(bào)道， 然后由于該方法需要先進(jìn)行溴代反應(yīng)，工藝較復(fù)雜，且質(zhì)子傳導(dǎo)率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的陰離子交換膜質(zhì)子傳導(dǎo)率低且工藝復(fù)雜的問題， 而提供一種咪唑功能化的聚醚砜陰離子交換膜及其制備方法。
[0006] 本發(fā)明首先提供一種咪唑功能化的聚醚砜陰離子交換膜，結(jié)構(gòu)式如下：
[0007]
【主權(quán)項(xiàng)】
L一種咪唑功能化的聚醚砜陰離子交換膜，其特征在于，結(jié)構(gòu)式如下：
該陰離子交換膜的厚度為20~lOOym，在80°C下離子傳導(dǎo)率為4. 21X10_2S/Cm~ 9. 21Xl(T2S/cm〇
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種咪唑功能化的聚醚砜陰離子交換膜的制備方法，其特征 在于，包括： 步驟一：將含共軛結(jié)構(gòu)的聚醚砜溶于有機(jī)溶劑中，形成聚合物溶液，然后將氯化1-烯 丙基-3-甲基咪唑加入聚合物溶液中進(jìn)行撹拌，得到反應(yīng)溶液； 步驟二：將過氧化苯甲酰加入步驟一得到的反應(yīng)溶液中進(jìn)行撹拌，得到混合溶液； 步驟三：將步驟二得到的混合溶液流延成膜，80~100°C下干燥24~48小時(shí)，冷卻至 室溫，在水中脫模，將膜置于堿液中進(jìn)行離子交換12~24h，得到咪唑功能化的聚醚砜陰離 子交換膜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種咪唑功能化的聚醚砜陰離子交換膜的制備方法，其特征 在于，所述的步驟ー的攪拌時(shí)間為6~10小時(shí)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種咪唑功能化的聚醚砜陰離子交換膜的制備方法，其特征 在于，所述的步驟ー的有機(jī)溶劑為環(huán)丁砜、二甲基亞砜或N-甲基吡咯烷酮。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種咪唑功能化的聚醚砜陰離子交換膜的制備方法，其特征 在于，所述的含共軛結(jié)構(gòu)的聚醚砜與氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑的摩爾比為1: (1~2)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種咪唑功能化的聚醚砜陰離子交換膜的制備方法，其特征 在于，所述的步驟二的撹拌時(shí)間為1~3小吋。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種咪唑功能化的聚醚砜陰離子交換膜的制備方法，其特征 在于，所述的過氧化苯甲酰加入量是氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑質(zhì)量的5~10%。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種咪唑功能化的聚醚砜陰離子交換膜的制備方法，其特征 在于，所述的含共軛結(jié)構(gòu)的聚醚砜的制備方法，包括： 氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在容器中加入雙氟單體和雙酚單體，混合均勻后加入成鹽劑、帶水劑和溶 劑，120~140°C帶水回流3~5小時(shí)放出帶水劑，溫度升至160~170°C，繼續(xù)反應(yīng)6~10 小時(shí)，得到含共軛結(jié)構(gòu)的聚醚砜。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的ー種咪唑功能化的聚醚砜陰離子交換膜的制備方法，其特征 在于，所述的雙氟單體為4, 4'-二氟二苯酮或4, 4'-二氟二苯砜。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的ー種咪唑功能化的聚醚砜陰離子交換膜的制備方法，其特 征在于，所述的雙酚單體為二烯丙基雙酚S或二烯丙基雙酚A。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種咪唑功能化的聚醚砜陰離子交換膜及其制備方法，屬于高分子化學(xué)和質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域。該陰離子交換膜的厚度為20～100μm，在80℃下離子傳導(dǎo)率為4.21×10-2S/cm～9.21×10-2S/cm。本發(fā)明還提供一種咪唑功能化的聚醚砜陰離子交換膜的制備方法，該方法采用離子液體氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑作為傳輸離子的功能基團(tuán)接枝到含共軛結(jié)構(gòu)的聚醚砜上，通過控制聚醚砜與氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑的摩爾比來控制功能基團(tuán)的含量，該制備方法簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短。
【IPC分類】B01D71-82, B01D67-00, B01D69-02, B01D71-68
【公開號(hào)】CN104624067
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410820766
【發(fā)明人】王哲, 劉美玉, 徐晶美, 韓海蘭, 徐麗爽
【申請(qǐng)人】長春工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2014年12月25日