[发明专利]一种基于富勒烯阴离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于富勒烯阴离子交换膜的制备方法，包括如下步骤：1)乙烯基咪唑盐的制备、2)基于富勒烯咪唑盐的制备、3)聚合物膜的制备、4)离子交换；本发明还公开了根据所述制备方法制备得到的基于富勒烯阴离子交换膜；该发明公开的基于富勒烯阴离子交换膜制备方法绿色、简单，膜电导率高，成本低，机械性能和耐碱性能优异。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种碱性阴离子交换膜燃料电池部件，尤其涉及一种基于富勒烯阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

碱性阴离子交换膜是碱性阴离子交换膜燃料电池的“心脏”部位，它起到传导阴离子和阻隔燃料的双重作用，其性能的好坏直接决定着燃料电池的性能和寿命。碱性阴离子交换膜由其离子传导作用的离子基团和聚合物基体材料构成，传统的碱性阴离子交换膜是通过在芳香族聚合物上接枝季铵盐类化合物达到离子传递作用的，但这类阴离子交换膜多存在尺寸稳定性差，吸水率高，溶胀度大，耐热性、化学稳定性耐碱性和机械性能差等缺点。且在接枝季铵盐化合物时，通常会使用剧毒物质氯甲醚，造成环境问题，不符合绿色清洁能源的理念。

对富勒烯进行表面改性，使其表面存在较多的活性基团，如羧基、羟基，是解决富勒烯团聚的好方法，通过表面改性，能衍生出不同用途的富勒烯，大大拓宽了富勒烯的使用领域，在阴离子交换膜中引入功能化的富勒烯，不仅能提高膜的机械性能，膜的电导率和耐碱性也会进一步提高。

因此，人们一直在探索一种绿色、简单，电导率高，成本低，机械性能优异和耐碱性能良好的基于富勒烯的碱性阴离子膜及其制备方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于富勒烯阴离子交换膜，该阴离子交换膜制备原料易得，价格低廉，避免了传统碱性阴离子交换膜制备所用的溶液浇注成膜法，且避免了剧毒致癌物质氯甲醚的使用和可能造成环境污染和人体伤害的有机溶剂的使用，且提供了一种克服碱性阴离子交换膜化学和热稳定性、耐碱性、机械性能差的方法。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种基于富勒烯阴离子交换膜的制备方法，包括如下步骤：

1)乙烯基咪唑盐的制备：将乙烯基咪唑加入到有机溶剂中，后向其中加入2-甲氧基乙氧基甲基氯，室温搅拌4-6小时，用乙酸乙酯洗4-6次，后在30-40℃下旋蒸移除溶剂；

2)基于富勒烯咪唑盐的制备：将经过步骤1)制备得到的乙烯基咪唑盐、无机阻聚剂和碱催化剂溶于乙腈中，在70-80℃下搅拌反应3-5小时，后向其中加入环氧氯丙烷，继续搅拌20-30小时，后再向其中加入氨基改性富勒烯，在室温下继续搅拌4-6小时，并用水洗4-6次，后在40-50℃下旋蒸移除溶剂；

3)聚合物膜的制备：将步骤2)中得到的基于富勒烯咪唑盐、聚合型单体和乳化剂混合，滴在玻璃板上，放入在氮气氛围下的辐射场内，采用高能电离射线辐射，辐照时间30-40分钟；

4)离子交换：将步骤3)中制备得到的聚合物膜浸泡在质量分数为10-20％的KOH溶液中60-70℃下68-80小时进行离子交换。最后将膜泡在去离子水中20-30小时，后取出在50-60℃的真空干燥箱中干燥10-12小时；

其中，步骤1)中所述乙烯基咪唑、有机溶剂、2-甲氧基乙氧基甲基氯的质量比为(4-5)：(12-20)：(5-7)；

步骤2)中所述乙烯基咪唑盐、无机阻聚剂、碱催化剂、乙腈、环氧氯丙烷、氨基改性富勒烯的质量比为(2-3)：1:3:(10-15):1:1；

所述无机阻聚剂选自氯化铁、硫化钠、硫氰酸铵中的一种或几种；

所述碱催化剂选自氢化钠、叔丁基醇钾、氢氧化钾中的一种或几种；

所述有机溶剂选自乙醚、乙酸乙酯、丙酮中的一种或几种；