[发明专利]一种无机纳米复合阴离子交换膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及膜技术领域，更具体地说，涉及一种无机纳米复合阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

目前，阴离子交换膜广泛用于海水脱盐、扩散渗析、电渗析、碱性燃料电池和化学传感器等领域，从而阴离子交换膜的制备方法及性能一直受到理论界和工业界的关注。现有的阴离子交换膜广泛基于高分子材料，由于有机材料本身的性质，这些膜通常机械性能和热稳定性较差，从而限制了在某些领域的应用。更为重要的是，高分子基体的阴离子交换膜各种性能难以独立调节，从而制备出综合性能优异的阴离子交换膜难以实现。

阴离子交换膜制备方法已经得到广泛的报道，例如，中国专利CN201010141349.9公布了一种含杂萘酮结构聚芳醚酮酮阴离子交换膜的制备方法。含二氮杂萘酮结构聚芳醚酮酮先经过与氯甲基化试剂氯甲基烷基醚的反应引入氯甲基基团。将上述氯甲基化含杂萘酮结构聚芳醚酮酮溶解于溶剂制备涂膜液，刮制成膜。再置于多元胺中进行胺化处理，得到阴离子交换膜。上述获得阴离子交换膜的过程中要使用高毒、致癌性的氯甲基化试剂，对环境和人类健康造成潜在威胁。且在胺化处理的过程中，会对聚合物的组成进行破坏，得到的阴离子交换膜的机械性能难以满足使用要求。

例如，中国专利CN200810047595.0公布了一种阴离子交换膜的制备方法，在聚苯醚主链上引入氯甲基基团后，将上述氯甲基化产物溶解得到涂膜液；将三甲胺水溶液加热汽化，三甲胺气体经过碱性干燥剂干燥后通入上述聚合物的氯甲基化产物溶液中，得到聚合物的氯甲基化产物的季铵化溶液，再将上述膜液涂铸成膜。尽管该膜的制备方法对聚合物的破坏较小，但上述阴离子交换膜的功能化程度较高，膜的离子电导较高但膜溶胀严重，综合性能不够优异。此外，上述阴离子膜完全由高分子材料组成，膜的热稳定性和强度较差。

例如，美国出版的《化学材料》(Chemistry of Materials,2001,13,1124-1130)报道了一种有机-无机复合阴离子交换膜的制备方法，采用小分子烷氧机硅进行溶胶-凝胶反应，在无机基体表面涂覆获取阴离子交换膜。上述制备的有机-无机复合的阴离子交换膜有机成分含量太少，柔韧性较差，因此限制了在相关领域的应用。

例如，荷兰出版的《膜科学杂志》(Journal of Membrane Science，2003,216(1-2),269-278)报道了包含伯胺和仲胺的烷基硅氧烷通过氢转移反应连接到用异氰酸封端的聚乙二醇分子上，将所得聚合物涂铸成膜。再置于三甲胺溶液中浸泡制备阴离子交换膜。尽管上述复合阴离子交换膜的机械性能和热稳定性能较为优异，但由于尺寸和形貌均不可控的无机成份的添加，会阻碍有机膜原有的离子通道，膜的传导性能较低。

因此，为了克服现有技术中均相阴离子交换膜的上述缺陷，本发明人进行了深入的研究，结果发现通过制备一种基于氧化石墨烯的纳米复合阴离子交换膜，可以克服上述的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米复合阴离子交换膜和其制备方法，该方法制备的阴离子交换膜离子电导高、机械性能好，并且膜的各项性能可以独立调节，满足不同领域的使用要求。

在本发明的一个方面，提供一种无机纳米复合阴离子交换膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：

a.将溴化聚苯醚溶解于第一溶剂中，加入碱性功能化试剂，反应得到荷正电的溴化聚苯醚；

b.将氧化石墨烯加入第二溶剂中，超声，得到剥离后的氧化石墨烯溶液；

c.将荷正电的溴化聚苯醚溶解于氧化石墨烯溶液中，搅拌，得到铸膜液，将所述铸膜液铸成膜后得到阴离子交换膜；

优选的，所述第一溶剂选自氯仿、N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或其组合，所述第二溶剂选自二甲亚砜、N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲醇、异丙醇或其组合。

优选的，所述碱性功能化试剂选自三甲胺、三甲基磷、胍基化合物、N-甲基咪唑、苯并咪唑和噻唑。

优选的，所述溴化聚苯醚的溴化度，即溴甲基的重复单元数占总的重复单元数的摩尔百分比为10～60％。

优选的，所述氧化石墨烯的氧化程度，即氧元素占氧化石墨烯总质量的百分数为20～40％。

优选的，所述得到荷正电的溴化聚苯醚的反应温度为20～60℃，所述得到荷正电溴化聚苯醚的反应时间为4～20h。

优选的，所述溴化聚苯醚的溴甲基和碱性功能化试剂的摩尔比为1：(0.3～5)。

优选的，所述得到氧化石墨烯溶液的超声时间为0.5～3h，所述得到氧化石墨烯溶液的超声温度是20～40℃。