[发明专利]一种亲水长侧链碱性阴离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明提供一种亲水长侧链碱性阴离子交换膜及其制备方法，属于阴离子交换膜技术领域。该亲水长侧链碱性阴离子交换膜的制备方法首先合成溴代物，再利用溴代物合成含亲水长侧链的咪唑类化合物，并将该类基团引入主链材料，成膜制备目标膜材料。本发明通过亲水/疏水微相分离的构建，形成更好的离子通道，提高膜的氢氧根传导率，具有很好的应用前景。此外，本方法制备碱性阴离子交换膜的过程操作简单、绿色无污染、原料便宜丰富。

技术领域

本发明涉及一种亲水长侧链碱性阴离子交换膜及其制备方法，属于阴离子交换膜技术领域。

背景技术

随着环境污染和资源短缺的情况不断恶化，清洁能源或可再生能源成为人类关注的热点。聚合物电解质膜燃料电池可将化学能直接转化为电能，被视为重要的清洁能源技术。聚合物电解质膜燃料电池包括质子交换膜燃料电池和阴离子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池因其能量转化率高等优点而成为研究最成熟的燃料电池之一。相对于质子交换膜燃料电池，阴离子交换膜燃料电池由于其具有更快的燃料氧化速度、甲醇渗透率低，并且可以使用非贵金属催化剂等几个优点而迅速发展，降低了燃料电池的制作成本，有利于实现聚合物电解质膜燃料电池的大规模工业化。

碱性阴离子交换膜是碱性阴离子交换膜燃料电池的核心组件之一，制备高传导率，高化学和热稳定性的膜材料，是研究者努力的方向。碱性阴离子交换膜的离子传导能力与离子交换容量(IEC)以及膜的含水量有关。高含量的离子功能基团能够提高膜的离子交换容量与离子传导能力，但是同时使阴离子交换膜的含水量增加，使膜溶胀，从而影响其机械性能。为了得到理想的膜材料，需在保证低的溶胀度和一定的机械性能前提下，尽可能地提升碱性阴离子交换膜的离子传导能力。一般来说，研究者常通过增加功能基团数目来提升离子传导能力，适当增加功能基团会提升离子传导能力，但是过多的引入功能基团数目会导致膜材料的过分吸水和溶胀，降低其机械性能。并且，通过简单提高接枝率的方法增加功能基团的数目，还会减少膜材料疏水区域的比例，使得膜材料被氢氧根进攻的概率大大增加，降低其碱稳定性。因此，构筑连续的离子传导通道是提升离子传导能力最为有效的方法。

然而，目前的开发主要是通过聚合物主链结构进行的开发，比如嵌段结构主链(CN105906812A，CN106883327A，CN104530723A)、半互穿网络结构主链(CN106887629A，CN104941468A，)或长烷基链大位阻离子传导基团(J.Am.Chem.Soc.,2013,135,10124-10133)，然后，目前尚没有对离子传导基团进行亲水改性的研究工作，也没有这方面膜材料的报道。

发明内容

本发明旨在提高碱性燃料电池用阴离子交换膜的氢氧根传导率以及耐碱稳定性，提供了一种亲水长侧链碱性阴离子交换膜及其制备方法；通过合成含亲水长侧链的咪唑类化合物，并将该类基团引入主链材料，成膜。通过亲水/疏水微相分离的构建，形成更好的离子通道，提高膜的氢氧根传导率。

本发明采用的技术方案：

一种亲水长侧链碱性阴离子交换膜，其化学结构式为：

式中：