[发明专利]半互穿或互穿网络碱性阴离子交换膜制备及交换膜和应用

说明书

技术领域

本发明属于碱性阴离子交换膜领域，具体的说涉及一种良好机械性能半互穿网络碱性阴离子交换膜或互穿网络碱性阴离子交换膜；本发明还涉及良好机械性能半互穿网络碱性阴离子交换膜或互穿网络碱性阴离子交换膜的制备与应用。

背景技术

相比于质子交换膜燃料电池，碱性阴离子交换膜燃料电池具有电极反应动力学快，腐蚀环境较弱等优势，所以碱性阴离子交换膜燃料电池的电极就可以采用非贵金属作为催化剂，大大降低了成本；而与碱性燃料电池相比，碱性阴离子交换膜燃料电池又可以避免液体电解质引起的电解质流失以及碳酸盐化等问题。鉴于碱性阴离子交换膜燃料电池的诸多优势，目前各领域科研工作者关于碱性阴离子交换膜燃料电池的研究都倾注了大量的工作。然而，目前碱性阴离子交换膜燃料电池尚不能大范围内生产、应用的限制因素为碱性阴离子交换膜的性能还远不能满足碱性阴离子交换膜燃料电池的要求，因此研究开发燃料电池用碱性阴离子交换膜成为了研究者关注的热点与重点。目前碱性阴离子交换膜中所采用的官能团以季铵盐结构为主，而且研究也比较深入。通过研究者对季铵盐型碱性阴离子交换膜的深入研究与分子结构的改进(包括增加IEC值、改变膜的相分离结构、通过增加侧链增加主链与官能团的距离、主链上增加疏水长侧链、官能团上增加侧链等方式)，这类膜的电导率、化学稳定性有了一定程度的提高。在电导率方面，碱性阴离子交换膜的电导率从10^-2Scm^-1提升到了10^-1Scm^-1或以上(参见：Energy Environ.Sci.,2014,7,354–360；ChemSusChem2013,6,1376–1383)。而且这类膜在60℃ 1M KOH溶液中能稳定近1000h(参见：Journal of The Electrochemical Society；2014，161，F615-F621)。随着碱性膜离子电导率和化学稳定性问题的逐步改善，膜的尺寸稳定性及机械稳定性变得尤为重要，越来越成为碱性膜在电池中应用的限制因素，研究者们在提高膜的机械性能方面也做了大量工作。提高膜机械强度的方法主要包括两种，一种为交联法；另一种为复合膜增强法。通过主链的交联或官能团的交联方法虽然在一定程度上提高了膜的机械强度，但交联的结果不是降低了膜的IEC，降低膜的电导率，就是在一定程度上降低了膜的韧性，使得膜变脆，膜的实际应用遇到难题。关于复合增强膜的研究工作中，一方面，研究者们利用PTFE、PE、PP等多孔膜作为基底材料，然后采用填孔的方式将具有传导离子功能的聚合物或能够聚合的单体渗入到孔中，然后采用加热挥发溶剂或原位聚合法进行铸膜。这种方法 确实能很好的提高膜的机械强度，并且能大大的减小膜的厚度，在一定程度上减小膜的阻抗，从而减小单池的内阻，最终提高单池的性能。但是，这种膜最大的缺陷在于其化学稳定性。由于具有传导离子功能的高分子与PTFE等多孔膜之间没有强烈的化学作用，经过长时间的使用，具有传导离子功能的高分子容易与多孔膜分离，造成碱性膜渐渐失去传导离子的能力，最终不能在电池中应用。另一方面，研究者们将具有良好机械性能的高分子材料添加到具有导离子能力但机械性能较差的聚合物中制备复合膜从而提高膜的机械强度。这种方法也能明显提高膜的机械强度和尺寸的稳定性，但这种方法仍存在不同聚合物之间兼容性较差的问题，聚合物之间的不兼容性会造成膜存在宏观或微观上的相分离，无法形成连续相，导致膜的传导能力和(或)机械性能较差。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题,发明了一种含不饱和键的具有传导阴离子能力的单体并利用它制备一种半互穿网络膜或互穿网络膜；本发明采用以下具体方案来实现:

一种半互穿或互穿网络碱性阴离子交换膜的制备方法，包括以下步骤:

1)含不饱和键的具有传导氢氧根能力的单体的合成：

于溶剂A中依次加入对氯甲基苯乙烯三甲胺N(CH₃)₃或咪唑或胍R为C4-C12的直链烷烃；在0-70℃搅拌反应生成化学结构式为的化合物,其为季铵盐、咪唑盐或胍盐；

然后将所得溶液倒入有机试剂B中析出，用试剂B进行洗涤后在40℃真空干燥箱中进行干燥，最后将单体溶于溶剂C中得到溶液备用；

2)聚合物溶液的制备：

将高分子聚合物溶解于溶剂中，得已知质量分数的聚合物溶液；

3)半互穿网络碱性阴离子交换膜的制备：