[发明专利]一种疏水侧链修饰烷基磺化聚苯并咪唑两性膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种疏水侧链修饰烷基磺化聚苯并咪唑两性膜及其制备方法，属于全钒液流电池用隔膜的制备技术领域。适用于全钒液流电池中的两性膜，以聚苯并咪唑为主链，接枝烷基磺化侧链和疏水烷基侧链后获得膜材料并制膜，膜在具有较高电导率的同时又可以通过质子化咪唑Donnan排斥效应阻碍钒离子的渗透，使膜具有较高的电池性能，可以作为电池隔膜应用到全钒液流电池中。

技术领域

本发明属于全钒液流电池用隔膜的制备技术领域，具体涉及一种疏水侧链修饰烷基磺化聚苯并咪唑两性膜及其制备方法。

背景技术

当今社会面临全球性的生态破坏、环境污染和资源短缺问题，清洁、可持续性能源(如：太阳能、风能、潮汐能等)成为各界关注的焦点。当今世界各国都要面对的一个问题就是能源问题，能源是保证人类社会生存的条件，同样也是人类社会发展的基础。液流电池具有安全性高、设计灵活以及无污染等显著优点受到广泛关注，其中全钒液流电池更是研究的热点。

全钒液流电池的核心构件为电极、电解液以及离子交换膜。其中离子交换膜为核心构件之一很大程度决定了电池的寿命、性能、成本。主要具有两方面作用。第一，由于不同价态的钒离子分别在正负极处反应实现充放电，因此正负极电解液需要由离子交换膜隔开，从而避免由于电池的自放电而损失能量。第二，导通阳离子和/或阴离子来实现电流回路，离子交换膜对全钒液流电池的库仑效率、能量效率起到决定性作用。理想的离子交换膜应该能有效阻隔钒离子的互相渗透并且具有较高的离子导电性,允许质子或其它离子通过以平衡两侧电荷。目前广泛使用的商业化离子交换膜为美国杜邦公司的Nafion膜，但是其具有成本高、钒渗透严重、水迁移严重等问题。因此，开发一种低成本、长寿命、高离子传导率及高选择性的离子交换膜显得尤为重要，也是我们目前急待解决的问题。

发明内容

本发明旨在提高两性离子交换膜的传导质子的能力，提供了一种疏水侧链修饰烷基磺化聚苯并咪唑两性膜的制备方法：使用具有良好热稳定性和机械性能的聚苯并咪唑聚合物，再对聚合物进行烷基磺化得到烷基磺化的聚苯并咪唑，并对烷基磺化的聚合物进行接枝疏水侧链并制膜。所制备的膜具有良好化学稳定性和较高的离子传导率，可应用于全钒液流电池中。

本发明的技术方案：

一种疏水侧链修饰烷基磺化聚苯并咪唑两性膜，其结构式如下：

其中x＝0～1，y＝0～1；n＝2～12的正整数。

一种疏水侧链修饰烷基磺化聚苯并咪唑两性膜的制备方法，步骤如下：

(1)烷基磺化聚苯并咪唑聚合物的合成：在惰性气体保护下，20～60℃的油浴锅中将聚苯并咪唑溶解于溶剂A中，完全溶解后再加入氢化钠，反应3-5h后，然后加入1,3-丙烷磺酸内酯，反应12h以上；

所述的聚苯并咪唑分子量为5000～200000。

所述的1,3-丙烷磺酸内酯：氢化钠：聚苯并咪唑的摩尔比不大于3；

所述的聚苯并咪唑、氢化钠、1,3-丙烷磺酸内酯在溶剂A中的w/v均为1～20％；

所述的溶剂A为二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺；

(2)疏水侧链修饰烷基磺化聚苯并咪唑聚合物的合成：将含有脂肪链的溴单体加入到上一步反应液中，在20～60℃反应12h以上；

所述的含有脂肪链的溴单体结构如下：

其中n＝2～15的正整数；

所述的聚苯并咪唑：含有脂肪链的溴单体的摩尔比不大于1；

所述的含有脂肪链的溴单体在溶剂A中的w/v为1～15％；