[发明专利]一种季铵化聚苯并咪唑及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种季铵化聚苯并咪唑及其制备方法，用作OH-离子交换膜，属于离子交换膜技术领域。

背景技术

燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能的发电装置，由于其高的能量转化率、无污染和低噪音等特点，被认为是解决未来能源问题的主要途径之一。燃料电池有多种类型，近年来，以质子交换膜(如：杜邦公司的Nafion膜)为电解质的质子交换膜燃料电池(PEMFC)得到了快速发展。

目前，PEMFC存在的主要问题是：系统复杂、燃料的渗透率高、催化剂的催化效率不高、价格昂贵等。在质子交换膜的强酸性环境中，迄今为止只有铂基贵金属催化剂才能稳定存在，催化剂的选择空间非常有限(参见S.Wasmusa，A.Kuver b，Journal of Electroanalytical Chemistry461(1991)14-31和公开号为CN1402370A的中国专利“碱性离子膜直接液态有机物燃料电池”)。在强碱水溶液中，以氢或其它有机物(如甲醇等)为燃料的电化学氧化还原反应也可进行，许多在强酸中不稳定的非贵金属及其氧化物能稳定存在，因而可以在很大程度上拓宽催化剂的选择范围，以碱性溶液作为电解质的燃料电池称为碱性燃料电池。传统的碱性燃料电池由于采用KOH等作为电解质，有机燃料氧化后生成的CO₂与金属阳离子反应生成碳酸盐而析出，引起电极的破坏和电解质浓度下降，导致电池性能的恶化，限制了其进一步的发展和应用。

随着碱性聚合物电解质膜燃料电池技术的发展，碱性聚合物电解质膜燃料电池又逐渐引起了人们的研究兴趣，这主要是因为其具有以下3个优点：

(1)催化剂选择范围广，可使用廉价的银或镍来代替贵金属铂做催化剂，降低了燃料电池的成本；

(2)碱性阴离子交换膜中的阳离子均固定在聚合物链上，液相中不存在游离的盐，能避免传统碱性燃料电池碱性液态电解质易与CO₂反应形成碳酸盐的影响；

(3)膜内导电离子的传输方向与燃料扩散方向相反，消除电渗拖曳产生的燃料渗透。

碱性燃料电池用聚合物电解质膜的质材主要是季铵碱性聚合物。J.J.Kang(Polymers for Advanced Technologies，2004，15(1-2)：61-641)等以聚甲基含氢硅氧烷为基体与N，N-二甲基丙烯胺加成，中间产物与碘甲烷反应生成季铵型聚硅醚。这种膜的耐热稳定温度达到250℃，但离子传导率仅为10^-4S/cm。J.R.Varcoe(Electro-chemistry Communications，2006，8(5)：839-8431)等通过γ射线照射接枝法，以聚乙烯四氟乙烯为基体，与乙烯基苯甲基氯反应，中间产物与三甲胺反应，并在KOH溶液中进行离子交换，得到OH^-型碱性膜。电池的性能很稳定且稳定温度超过了通常认定的60℃。但仍存在电导率不高，甲醇渗透率高，稳定性较低等缺点。因而高电导率、低甲醇渗透率和高稳定性的聚合物电解质膜是碱性膜材料研究的重点之一。

聚苯并咪唑具有优异的热稳定性、化学稳定性和尺寸稳定性能，是一类被认为用于中高温(150～200℃)燃料电池和直接甲醇燃料电池的综合性能优异的材料。然而，聚苯并咪唑由于结构上的高度刚性及链与链间强烈的相互作用，一般溶解性能都较差且难熔，导致其加工性能很差，限制了其在许多方面的应用；直接碱掺杂的聚苯并咪唑的电导率不高且不稳定，掺杂后膜的机械低，影响了后续膜电极的组装。

发明内容

本发明的目的是提供一种季铵化聚苯并咪唑，用作OH^-离子交换膜。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种季铵化聚苯并咪唑，其特征在于，具有如下重复结构单元：

其中m＝10～2000；

R₁由以下结构中的一种或任意两种组成：

其中：n＝0～28；邻位，间位或对位；邻位，间位或对位；1，4位，2，3位，2，6位或2，7位；2，2′位，3，3′位或4，4′位，其中Y＝-O，S，SO₂，CO，CH₂，C(CH₃)₂或C(CF₃)₂；或

R₂为其中x＝1～10。

本发明还提供了上述的一种季铵化聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于，具体步骤为：