[发明专利]一种长侧链SEBS基碱性聚合物电解质膜及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种长侧链SEBS基碱性聚合物电解质膜及其制备方法和应用,所述SEBS基碱性聚合物电解质膜具有长侧链结构，该结构中带正电荷的官能团为季铵盐、咪唑盐、胍盐、DABCO(1,4‑二氮杂二环[2.2.2]辛烷)中的一种或两种以上；长侧链为C2‑C8的含氧长烷基链。本发明所制备的碱性膜由于化学稳定性良好的SEBS主链的选择和官能团远离长侧链的聚合物分子结构的设计，制备的含氧长烷基侧链SEBS‑基碱性聚合物电解质膜在高温碱性环境中具有较好的化学稳定性；通过反应物选择、反应温度的控制及反应物间比例的优化制备含氧长烷基侧链；进一步采用热压或溶剂挥发法，通过控制铸膜温度、溶剂或压力，可以制备得到表面均匀、平滑、紧凑的含氧长烷基链SEBS‑基碱性聚合物电解质膜。

技术领域

本发明属于碱性聚合物电解质膜领域；本发明还涉及一种具有较高电导率、较好化学稳定性碱性聚合物电解质膜的制备。

背景技术

燃料电池是一类将燃料(氢气、甲醇、乙醇等)中的化学能直接转化为电能的电化学反应装置。与传统内燃机相比，燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，环境友好；与一次、二次电池相比，燃料电池比容量高，只要不断地提供燃料，就能持续稳定输出电能。因此，近年来燃料电池得到了广泛地关注。

以碱性聚合物膜为固体电解质的碱性聚合物电解质膜燃料电池(APEMFCs)不仅继承了碱性条件下阴极反应动力学速率快的优势，采用非贵金属作为电催化剂，而且体系中没有可移动的金属阳离子，即使有CO₃^2-、HCO₃^-生成也能有效地避免盐沉积带来的枝晶短路等问题[18]，被认为是AFCs与PEMFCs两类燃料电池可能的替代品。自2005年首次被报道以来，目前已成为燃料电池领域研究热点之一。

近年来，随着能源短缺和环境问题的日益突出，环保新能源逐渐成为全球研究的热点。由于采用碱性聚合物电解质交换膜(APEMs)为固体电解质的电化学能源器件(如碱性聚合物电解质膜燃料电池、水电解池、液流电池、金属空气电池等)具有比功率密度大，成本低，洁净环保等优点成为研究者关注的焦点。然而，目前APEMs的性能仍不能满足这些器件应用环境的要求。在其工作环境中，由于磁场、高温、强电场、强碱的存在，APEMs的稳定性、电导率和机械性能面临较大挑战，如何平衡APEMs的电导率与其机械性能之间的矛盾，提高其在高温碱性环境中的稳定性成为APEMs领域研究的重点。

为了提高APEMs的电导率，研究者们做了很多工作。Guiver等人制备出了以聚砜为主链的嵌段共聚物APEMs，这类膜的特点是电导率高，而其含水量和吸液量、溶胀都比较低。李南文等人利用“点击化学”制备出的具有长侧链的APEMs在水饱和条件下的电导率达到62mS cm^-1。值得关注的是，庄林研究组通过分子结构设计制备了具有良好微观相分离结构的聚砜型APEMs的方法。他们通过将长疏水侧链接枝到远离官能团的主链上，在APEMs中形成了连续且明显的微观相分离结构，构建了利于OH^-传输的通道，从而有效地提高了膜的电导率，使其电导率与商品Nafion相当。

随着电导率的提升，研究者们发现以含有醚键的芳香聚合物作为主链时，在高温碱性环境中，强亲核试剂OH^-会攻击主链中的C-O键和季碳键，使其发生水解断键，造成膜整体破碎(PNAS，February 12,2013，vol.110)。聚苯乙烯基APEMs的主链具有较好的化学稳定性。然而，聚苯乙烯作为硬段聚合物，当将官能团嫁接到此类主链时又会出现这类膜的过分溶胀、机械性能衰减的问题。聚(苯乙烯-乙烯-丁烯)嵌段共聚物(SEBS)兼具软段和硬段部分，能够弥补聚苯乙烯机械性能差的问题，所以很适合作为APEMs的主链。然而，SEBS中聚苯乙烯结构减少，这一结构便会导致SEBS主链上能够接枝官能团的比例明显降低，而且聚苯乙烯之间存在聚烷烃链段，聚苯乙烯之间距离增大，导致SEBS-基APEMs的电导率较小。

与此同时，主链也会引起官能团的降解，导致APEMs失去传导离子的能力。

发明内容