[发明专利]一种咪唑基离子液体及其在碱性阴离子交换膜中的应用

说明书

技术领域

本发明属于聚合物电解质膜领域，具体的说涉及一种咪唑基交联型碱性阴离子交换膜；本发明还涉及上述膜的制备方法。

背景技术

阴离子交换膜在碱性阴离子交换膜燃料电池、超级电容器、水的处理以及物质的分离等领域有着广泛地应用。但目前公开的碱性阴离子交换膜的结构一般为季铵盐型的。中国专利CN 101850218 A公开了一种季铵盐聚合物阴离子交换膜的制备方法，是将单体、溶剂和引发剂加入到反应器中，在惰性气体保护下，回流反应，然后将共聚物用有机溶剂溶解配成溶液，用相转化法浇铸成膜，最后将浇铸成的膜浸泡在低级叔胺水溶液中，季铵化反应，洗涤后得到季铵盐型阴离子交换膜。中国专利200910248539.8公开了一种燃料电池用复合阴离子交换膜及其制备方法，是将由可季铵化的自由基聚合单体、二乙烯基苯、过氧化苯甲酰组成的单体溶液在经预处理的高性能聚合物多孔基膜内进行原位热聚合，同时施加外压，再经季铵化和氢氧化处理得到复合阴离子交换膜。但是，季铵基团在较高温度下容易被氢氧根离子攻击而发生亲核取代或消除反应而使膜降解，大大限制了阴离子交换膜的使用范围。

具有五元杂环的咪唑基团，由于其盐能够形成较稳定的结构在催化载体、膜分离、燃料电池等领域得到了应用。

中国专利201010111470.7公开了一种咪唑鎓盐型阴离子交换膜及其制备方法，是将高能射线辐照后的薄膜浸没在氮气饱和的单体中实现接枝反应，然后在季铵化试剂中浸泡，去离子水中洗涤得到咪唑鎓盐型阴离子交换膜。

中国专利201010185161.4公开了一种基于离子液体的阴离子交换膜的制备方法，是将咪唑型离子液体单体、丙烯酸酯类单体、溶剂以及引发剂加入到反应器中，在惰性气体的保护下回流反应，然后将得到的聚合物沉淀溶解在有机溶剂中配成溶液，采用相转化法成膜，得到基于离子液体的阴离子交换膜。

中国专利CN 102050911 B公开了一种聚合物阴离子交换膜及其制备方法，是将聚合物单体和聚合型离子液体以摩尔比为1:2-1:9的比例混合后加入交联剂和引发剂，然后将混合液超声均匀，进行原位聚合制备得到聚合物阴离子交换膜。

但以上方法制备的阴离子交换膜中咪唑基团的2位碳上没有取代基，在受氢氧根离子攻击时，可能容易形成卡宾，最后造成咪唑基团的开环降解。同时采用相转化法的铸膜工艺不能很好地实现规模化制备，只能小面积、小批量浇铸。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的在于提供一种具有较好化学稳定性、热稳定性和较高离子电导率的，环境友好的咪唑基交联型碱性阴离子交换膜；同时提供一种环境友好、工艺简单、能实现小型规模化的咪唑基交联型碱性阴离子交换膜的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下方案来实现：

一种咪唑基离子液体，其化学结构如下：

其中，R₁为或为C2-C9的直链烷烃，或为碳数为3、碳数为4的环状烷烃；R₂为C1-C8直链或支链的链状烷烃。

一种所述咪唑基离子液体在碱性阴离子交换膜中的应用，所述碱性阴离子交换膜的制备包括以下制备步骤：

1）咪唑鎓盐的合成：

于溶剂中，依次加入物质的量比为1:2-2:1和搅拌使之混合均匀后，使其在40-75℃条件下反应至溶液变为橙色，将所得橙色溶液加入到乙酸乙酯中，过滤并干燥至恒重后得咪唑鎓盐；

其中，R₁为或为C2-C9的直链烷烃，或为C3、C4的环状烷烃；R₂为C1-C8的链状烷烃；

2）咪唑基交联共聚物的合成：

于溶剂中依次加入步骤1）所得咪唑鎓盐、苯乙烯、二乙烯基苯和自由基引发剂，磁力搅拌均匀后，在氮气气氛下对所得反应溶液进行冷冻-解冻循环，之后于65-100℃氮气气氛下对经过冷冻-解冻循环的反应溶液进行加热反应至溶液变为凝胶状固体；

3）咪唑基交联型碱性阴离子交换膜的制备：

将步骤2）所得凝胶状固体置于80-120℃真空干燥箱中干燥3h以上，将其平铺于两层薄膜基体之间，用钢板夹紧热压后，得到咪唑基交联型碱性阴离子交换膜。

一种所述咪唑基离子液体在碱性阴离子交换膜中的应用，所述碱性阴离子交换膜的制备包括以下制备步骤：

1）咪唑鎓盐的合成：同上述方法中的步骤1）；

2）咪唑基交联共聚物的合成：同上述方法中的步骤2）；