[发明专利]一种碱性离子液体的合成及其在燃料电池中的应用

说明书

1.技术领域

本发明涉及离子液体合成。

2.背景技术

离子液体是一类熔点接近室温的盐(参见：Fernicola，A.；Scrosati，B.；Ohno，H.，Potentialitiesofionicliquidsasnewelectrolytemediainadvancedelectrochemicaldevices.Ionics2006，12(2)，95-102.)。这类盐通常由体积较大且对称性较差的阳离子和体积相对较小而对称性良好的阴离子构成。具有电导高、蒸汽压低以及溶解能力强等特点，被认为是一种可替代传统挥发性溶剂的绿色化学反应介质。随着对离子液体认识的逐渐深入探索，其应用已远超过当初的绿色化学范畴，在电解、太阳电池、催化剂领域甚至医学领域都存在巨大的应用前景。近年来，离子液体作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的替代电解质的研究引起来极大兴趣(Ye，H.，etal.″NewmembranesbasedonionicliquidsforPEMfuelcellsatelevatedtemperatures.″JournalofPowerSources178，.2(2008)：651-660.)，这主要是因为PEMFC的传统电解质膜-NAfion膜价格高昂，高度依赖水分等缺点。

目前为止，用于燃料电池的离子液体多数为酸性离子液体，Sekhon，S.S.，etal.″Physicochemicalpropertiesofprotonconductingmembranesbasedonionicliquidimpregnatedpolymerforfuelcells.″JournalofMaterialsChemistry16，23(2006)：2256-2265.)。而碱性离子液体合成则很少有报道。这主要是因为目前研究较多的离子液体为咪唑类、吡啶类离子液体，而这类离子液体很难在碱性条件下存在。虽然有三烷基铵类的离子液体，但是季胺碱的稳定性也很低，且季胺碱易与二氧化碳反应，因此碱性离子液体的研究，特别是在燃料电池中作为电解质的应用研究很少。

我们在研究中发现，可以四烷基胺的阳离子中引入磺酸根后，再与NaOH或KOH反应后，可以得到相对比较稳定的一类盐。而且由于磺酸根的存在，上述盐不与二氧化碳反应，有可能作为碱性电解质，解决碱性燃料电池遇二氧化碳失效的问题。

本专利的目的便是提出一种碱性离子液体，以作为碱性燃料电池的电解质。由于磺酸根的酸性，上述离子液体不与二氧化碳反应，这为碱性燃料电池解决二氧化碳问题提供了一种思路和可能。

3发明内容

本发明目的在于开发一种低成本、操作简便、质子电导更高的碱性离子液体以作为碱性燃料电池AFC的电解质。

本发明通过以下方式实现。

一种碱性的非咪唑类离子液体的合成方法，它包括以下步骤：

步骤1.将1，4丁磺酸内酯与三甲胺水溶液在50-80℃的水域中反应4-8小时，将水分蒸除后，得到白色固体-N，N，N三甲基丁磺酸铵([N1114SO₃]，这也是一种离子液体，但熔点过高，不适于做燃料电池的电解质。

步骤2.将步骤1得到的产物与碱(MOH)溶液反应。加入酸溶液后的体系搅拌2小时，得到离子液体[N1114SO₃Na]OH的水溶液，将此溶液中的水采用旋转蒸发仪蒸除后，在真空干燥箱中120℃干燥24小时后得到最终产物。

上述的离子液体的合成方法，步骤1中所述的1，4丁磺酸内酯的主要作用为引入磺酸根。

上述的离子液体的合成方法，步骤2中所述碱为NaOH或KOH

上述离子液体的合成方法中，步骤1中所述的1，4丁磺酸内酯与三甲胺的比例为1∶1～1∶1.5。

利用磺酸酯与胺易于反应的特点，并利用磺酸酯中的具有质子传导功能的磺酸基，从而获得阳离子磺酸功能化的中间产物。将该产物与含KOH反应，获得碱性离子液体。

合成过程及其主要原理见说明书附图-1，上述离子液体的合成方法的特点是反应条件温和，无需高温、加压等条件，易于实施。合成过程中的溶剂绿色无污染。与已有的离子液体具有以下明显优点：

该离子液体为非咪唑类离子液体，避免了咪唑类离子液体对PEMFCPt/C催化性能的毒化。另外，该离子液体为碱性，可以作为燃料电池的电解质，因此，本专利提供的离子液体是一种碱性离子液体，电池实验表明，采用该离子液体作为电解质的燃料电池可以提供20mWcm^-2的最高功率密度。

4附图说明