[发明专利]自增湿性离子交换复合膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种自增湿性离子交换复合膜，其包括在多孔聚合物载体上形成的芳烃类聚合物离子交换膜和在离子交换膜表面上形成的具有纳米裂纹的形态学图案的疏水性薄涂覆层。除了即使在高温和低湿度条件下显示出自水合能力，在热/化学稳定性、机械强度、离子交换能力和长期操作稳定性方面也具有优势，根据本发明制备的自增湿性离子交换复合膜能够应用于燃料电池用电解质膜或水处理用膜，而期望其商业化。

技术领域

本发明涉及一种自增湿性离子交换复合膜及其制备方法。更具体地，本发明涉及一种自增湿性离子交换复合膜的制备，所述复合膜包括在多孔聚合物载体上形成的芳烃聚合物离子交换膜和在所述离子交换膜表面上的具有纳米裂纹的形态学图案的疏水性薄涂覆层，和涉及所述复合膜作为燃料电池用电解质膜、作为水处理用膜等的用途。

背景技术

通常，离子交换膜广泛用于分离、能量转换及能量存储系统的应用中，其中选择性阻隔特性为膜集成系统中的高性能的必要因素。具有选择性输送表面的膜，其具有与基体材料不同的性质并且具有克服在许多应用中观察到的渗透性和选择性折衷行为的潜力。特别地，离子交换膜中水含量的调节在许多应用中是重要的，例如能量转换系统。迄今为止，已经使用外部调节方法，例如供水或高温操作，以诱导膜的自增湿。然而，这些常规方法可以导致离子电导率的轻微改善，但在实现增强的离子选择性上仍然有限(专利文献1)。

特别地，单层离子交换膜可用作燃料电池的电解质膜。然而，在这种情况下，电解质膜由于其低离子交换能力和差的长期操作稳定性而趋于溶胀并失去其长期稳定性。因此，已经进行了许多尝试来开发具有改进的机械强度和高离子交换能力的各种复合电解质膜。然而，这些电解质膜中的大多数难以同时满足高离子交换能力和良好的长期操作稳定性，这是其商业化的障碍(专利文献2和3)。

本发明人进行了深入研究，以扩展具有良好热/化学稳定性和优异机械性能的芳烃聚合物离子交换膜的应用，结果，向离子交换膜的表面成功地引入了能够形成纳米裂纹的形态学图案的薄疏水层，类似于仙人掌的气孔开/关机制。纳米裂缝用作纳米级阀门以延迟水解吸并在除湿时保持膜中的离子传导性。因此，当在低湿度或非湿润环境中调节离子交换膜的水合而不改变离子交换膜的形态时，实现了极大增强的离子选择性和低体积电阻。事实证明，这项研究的成果非常出色，并在世界领先的科学期刊“自然”杂志上发表。然而，离子交换膜的商业化需要开发同时满足高离子交换能力和良好的长期操作稳定性的离子交换复合膜(非专利文献1)。

在这种情况下，本发明人发现了一种自增湿性离子交换复合膜，其包括在具有高机械强度的多孔聚合物载体上形成的芳烃聚合物离子交换膜和在离子交换膜的表面上的具有纳米裂纹的形态学图案的疏水薄涂覆层，与常规离子交换膜相比，所述自增湿性离子交换复合膜具有良好的热/化学稳定性和高机械强度。本发明人还发现，特别是当自增湿性离子交换复合膜用作燃料电池的电解质膜时，所述复合膜由于其高离子交换能力而改善了电池的性能并由于其改善的耐久性，确保了电池的长期操作稳定性，因此，可以预期将复合膜商业化。基于这些发现完成了本发明。

现有技术文献

专利文献

1.韩国专利号10-0727216

2.韩国专利号10-1178644

3.韩国专利号10-1063215

非专利文献

1.Y.M.Lee等人,Nature 532,480-483(2016)

发明内容

发明要解决的问题

本发明是鉴于上述问题而做出来的，本发明的目的之一在于提供一种自增湿性离子交换复合膜，其具有良好热/化学稳定性、高机械强度、高离子交换能力及长期操作稳定性并且即使在高温和低湿度条件(120℃/35％RH)下也能够呈现自水合。本发明的另一个目的是提供一种制备自增湿性离子交换复合膜的方法。

解决问题的手段