[发明专利]一种碱性阴离子交换树脂的制备方法

说明书

本发明涉及一种碱性阴离子交换树脂的制备方法，该方法选择嵌段聚合物为原料，采用1,4‑二氯甲氧基丁烷(BCMB)为氯甲基化试剂，将功能性基团引入到聚合物链上，然后经过季铵化、碱化后形成离子交换基团，从而制得聚合物阴离子交换树脂溶液。本方法的优点在于使用长链醚BCMB作为氯甲基化试剂，避免了采用氯甲醚等短链醚的致癌作用，同时BCMB价格低廉，活性高；制备的树脂不溶于水但能够溶解于低沸点溶剂，便于后期电极制备；同时，制得的阴离子交换树脂具有较高的离子传导率和良好的热稳定性，在全电池测试中表现出良好的性能。

技术领域

本发明属于离子交换树脂技术领域，尤其涉及到一种聚合物碱性阴离子交换树脂的制备方法。

背景技术

碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)是近些年来发展起来的一种新型燃料电池。同传统的碱性燃料电池(AFC)相比，AAEMFC采用固体电解质，解决和减轻了AFC中液体电解质泄漏以及KOH电解质溶液的碳酸盐化问题；与质子交换膜燃料电池(PEMFC)相比，由于在碱性条件下，燃料电池阴极氧还原反应(ORR)动力学加快，这样，AAEMFC就可以从根本上摆脱对Pt基贵金属的依赖。正是由于AAEMFC兼具了AFC和PEMFC二者的优点，并且在一定程度上解决了二者面临的问题，因此AAEMFC具有广阔的应用前景。目前，AAEMFC正逐渐成为燃料电池领域一个新的研究热点。

阴离子交换树脂(AEI)是AAEMFC组成的关键部分，对提高电池性能起着决定性作用，它由高分子聚合物骨架与阳离子、对离子组成。它作为催化层中的粘结剂以及离子导体，主要起到传导氢氧根离子，粘结催化剂构建稳定的气液固三相反应界面[1]，此外，AEI可将催化层粘结到碱性膜(或扩散层)上进而降低界面接触电阻.对AEI的要求与对AEM的要求基本相同，但受使用方法等影响，对AEI的要求还需要考虑另外两个方面的需求：一是，能溶于低沸点溶剂，以保证电极制备及存储运输过程的安全性和便利性，因为高沸点溶剂不易挥发，对电极制备和后续处理均带来困难；二是，从催化层的结构和性质方面要求AEI成膜干燥后与AEM及催化层具有良好的相容性，以保证催化层内三相界面的稳定。

近年来，随着AAEMFC研究的深入，各国的研究者对AEI的研究也取得了一些进展。2006年，英国萨里大学的Varcoe等人在文章Chem.Commun.2006,(13),1428-9中首次报道了以N,N,N’,N’—四甲基1，6己二胺(TMHDA)交联的聚乙烯苄基氯(PVBC)作为AEI，实现了电极的立体化，将不含金属阳离子的全固态AEMFC从概念变成了可能，其电池最高功率密度在50mW·cm-2之上.但是，这种AEI是通过后处理得到，制备过程较为繁琐。随后，美国Yan等人在文章Angew Chem.Int.Edit,2009,48(35):6499-502中报道了季膦型的阴离子导电聚合物并将其溶解在低沸点溶剂中制备了AEI，其在单电池测试中表现出良好的性能。目前，已有中国专利201210555912.6公开了聚砜类碱性树脂的制备，合成的树脂具有良好的性能，但其只能溶解于少数的高沸点溶剂，如二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和甲基吡咯烷酮，而这些高沸点溶剂在后期的电极制备中很难除去，对催化层的成型以及催化剂的性能都会产生许多不利影响。

本发明选择无致癌作用的长链醚BCMB为氯甲基化试剂实现聚合物的氯甲基化，其作为氯甲基化试剂，不仅反应活性高而且成本低廉。同时，通过调节聚合物的主链以及聚合物的官能化基团，控制聚合物在低沸点溶剂中的质量分数，制备的碱性阴离子交换树脂在低沸点溶剂中不仅具有良好的溶解度，而且具有良好热稳定性，能够应用于碱性阴离子交换膜燃料电池。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阴离子交换树脂的制备方法。

本发明的技术方案如下：

阴离子交换树脂溶液经聚合物基底的氯甲基化、季铵化、碱化、溶解等步骤制得，其具体制备方法包括以下步骤：