[发明专利]一种三甲胺功能化聚芳基吲哚阴离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种三甲胺功能化聚芳基吲哚阴离子交换膜及其制备方法，属于碱性阴离子交换膜技术领域。本发明合成了具有良好稳定性和机械性能的芳酰胺基的聚芳基吲哚聚合物，再将聚合物和1,2‑环氧丙基氯化铵与疏水链/醚氧链反应接枝三甲胺功能基团并制膜。所制备的膜具有较好的碱性稳定性和机械性能，可应用于碱性燃料电池中。

技术领域

本发明属于碱性阴离子交换膜技术领域，涉及到一种三甲胺功能化聚芳基吲哚阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

随着全球对清洁高效能源需求的不断增长，燃料电池作为一种环境友好型动力源和传统化石燃料工艺的替代品正受到越来越多的关注。氢氧化物交换膜燃料电池(HEMFCs)是一种新型的清洁的吸引国际关注的高效能源技术。在基础环境中工作，HEMFC与质子交换膜燃料电池(PEMFC)相比具有多个优势，即增强燃料氧化和氧化还原动力学，非贵金属催化剂(例如银和镍)的可用性，以及催化剂的良好稳定性。因此，HEMFC具有实现大规模商业化所必需的低成本和长耐久性的潜力。氢氧化物交换膜(HEM)是HEMFCs的核心部件，它被用作氢氧化物导体以及燃料/氧化剂隔膜。HEMs的主要性能要求是氢氧化物导电率高，溶胀率低，良好的碱稳定性，实现燃料电池的耐久性和高能量密度。

为了提高阴离子交换膜的离子电导率并降低其在强碱性条件下的降解，最常用的路线是接枝功能侧基，通过苄基卤之间的反应将基团连接到聚合物上。这些结构的HEMs虽然导电性较好，但由于苄基容易遭到氢氧根的亲核攻击，通常热碱稳定性较差。氢氧根离子交换膜的主链的选择对膜的机械性能和寿命也有很大的影响，商业化的聚砜和聚苯醚等都存在醚氧键被氢氧根攻击造成链降解的缺点。因此，如今阶段的研究中许多努力都集中在开发高性能HEM上，重在提高膜的碱性稳定性和机械性能。

发明内容

本发明旨在提高碱性阴离子交换膜的碱性稳定性和机械性能，提供了一种三甲胺功能化聚芳基吲哚阴离子交换膜的制备方法：合成了具有良好稳定性和机械性能的含芳酰胺基的聚芳基吲哚聚合物，再将聚合物和1,2-环氧丙基氯化铵与疏水链/醚氧链反应接枝三甲胺功能基团并制膜。所制备的膜具有较好的碱性稳定性和机械性能，可应用于碱性燃料电池中。

本发明的技术方案：

一种三甲胺功能化聚芳基吲哚阴离子交换膜，结构如下：

其中x＝0.01～1，表示功能化程度；y＝0～0.99；

R为引入的烷基链，分别为1,2-环氧丙烷，1,2-环氧丁烷，1,2-环氧戊烷，1,2-环氧庚烷，1,2-二甲基丁炔酯，1,2-环氧十六烷，1,2-环氧二十烷，环氧丙基甲基醚，乙基缩水甘油醚，正丁基缩水甘油醚。

一种三甲胺功能化聚芳基吲哚阴离子交换膜的制备方法，步骤如下：

(1)聚芳基吲哚聚合物的合成：

在惰性气体保护下，将2,3-吲哚二酮与联苯溶于溶剂A和溶剂D混合溶剂中，在冰浴环境下慢速加入催化剂C，然后逐渐升温至室温，升温时间0.5～2h。当反应变为高度黏稠液体时倾倒入析出剂D，过滤，干燥，得到粗产品。再将粗产品溶于溶剂E中，完全溶解后倾倒入析出剂D，过滤，干燥，得到纯化的聚芳基吲哚聚合物。

所述的溶剂A为二氯甲烷；

所述的溶剂B为三氟乙酸；

所述的溶剂A与溶剂B的体积比为0.01～0.33；

所述的2,3-吲哚二酮：联苯的摩尔比为1～1.1：1；

所述的2,3-吲哚二酮和联苯的总质量在溶剂A和溶剂B混合溶剂中的w/v为40～80％；

所述的催化剂C为三氟甲磺酸；

所述的2,3-吲哚二酮和联苯的总质量与催化剂C的体积w/v为30～50％；