[发明专利]咪唑功能化的聚醚砜阴离子交换膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子化学和阴离子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种咪唑功能化的聚醚砜阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

目前，能源问题是人类不得不面对的重大难题之一，因此开发出一种既对环境污染小又兼具高能量转化率的绿色能源成为人类亟待解决的问题之一。燃料电池作为一种21世纪高科技产品电池，为人类追求的可再生资源的梦想带来了希望，因其污染小、效率高、噪音低、适应环境能力强、建设周期短、易维护以及成本低,并且燃料电池的体积灵活，通过对单电池进行多组串联，可以组合成各种规格的燃料电池堆，以满足生产生活的各个领域，燃料电池的研究和应用已得到了全世界的广泛关注。聚合物电解质膜可分为两大类：质子交换膜和阴离子交换膜。作为直接甲醇燃料电池的核心部件，聚合物电解质膜综合性能不足是直接甲醇燃料电池量产所面临的最大问题。目前，已开发的聚合物电解质膜材料普遍存在阻醇性能差和高离子传导率时尺寸稳定性不足等缺点。即使是具有全氟磺酸结构的Nafion膜，仍然不能满足直接甲醇燃料电池的要求。因此，开发出适用于直接甲醇燃料电池的高性能聚合物电解质膜是推动直接甲醇燃料电池商业化进程的关键。

针对聚合物电解质膜存在的问题，目前的研究主要集中在两个方面：一是致力于开发出可替代Nafion膜的具有高阻醇性、高尺寸稳定性、高质子传导率、低成本的质子交换膜；二是致力于开发出可避免使用贵金属催化剂并具有足够耐碱稳定性和离子传导率的阴离子交换膜。然而，目前质子交换膜必须使用贵金属铂作为催化剂。据统计，即使把全世界探明的铂都用来做燃料电池的催化剂，也仍然不能满足应用的需求。对此，一方面，我们寄希望于对催化剂的研究能够有突破性的进展；另一方面，我们开始开发综合性能优良的阴离子交换膜。这是因为通过研究发现，阴离子聚合物电解质膜可以使用镍、锰等非贵金属原料的催化剂进行催化。这一突破，既使燃料电池的应用不受资源的限制，又大大降低了燃料电池的成本，有望加速燃料电池的推广应用。

谢晓峰等人论文(A cross-linked fluorinated poly(aryl etheroxadiazole)s using a thermal cross-linking for anion exchange membranes International Journal ofHydrogen Energy 38(2013)11038—1044)中公开了通过溴代反应，后接枝离子液体N-甲基咪唑将含有共轭结构的氟化聚芳醚噁二唑聚合物制备阴离子交换膜的报道，然后由于该方法需要先进行溴代反应，工艺较复杂，且质子传导率低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的阴离子交换膜质子传导率低且工艺复杂的问题，而提供一种咪唑功能化的聚醚砜阴离子交换膜及其制备方法。

本发明首先提供一种咪唑功能化的聚醚砜阴离子交换膜，结构式如下：

该阴离子交换膜的厚度为20～100μm，在80℃下离子传导率为4.21×10^-2S/cm～9.21×10^-2S/cm。

本发明还提供一种咪唑功能化的聚醚砜阴离子交换膜的制备方法，包括：

步骤一：将含共轭结构的聚醚砜溶于有机溶剂中，形成聚合物溶液，然后将氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑加入聚合物溶液中进行搅拌，得到反应溶液；

步骤二：将过氧化苯甲酰加入步骤一得到的反应溶液中进行搅拌，得到混合溶液；

步骤三：将步骤二得到的混合溶液流延成膜，80～100℃下干燥24～48小时，冷却至室温，在水中脱模，将膜置于碱液中进行离子交换12～24h，得到咪唑功能化的聚醚砜阴离子交换膜。

优选的是，所述的步骤一的搅拌时间为6～10小时。

优选的是，所述的步骤一的有机溶剂为环丁砜、二甲基亚砜或N-甲基吡咯烷酮。

优选的是，所述的含共轭结构的聚醚砜与氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑的摩尔比为1:(1～2)。

优选的是，所述的步骤二的搅拌时间为1～3小时。

优选的是，所述的过氧化苯甲酰加入量是氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑质量的5～10％。

优选的是，所述的含共轭结构的聚醚砜的制备方法，包括：

氮气保护下，在容器中加入双氟单体和双酚单体，混合均匀后加入成盐剂、带水剂和溶剂，120～140℃带水回流3～5小时放出带水剂，温度升至160～170℃，继续反应6～10小时，得到含共轭结构的聚醚砜。