[发明专利]一种长支链双梳状聚芳基吲哚阴离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种长支链双梳状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含芳酰胺基的聚芳基吲哚聚合物，再将聚合物接枝长支链离子液体并制膜。所制备的膜具有较好的碱性稳定性和较高的离子电导率，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，涉及到一种长支链双梳状聚芳基吲哚阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

随着环境问题和能源问题的日益突出，燃料电池作为一种清洁且功率转换效率高的设备，被认为是最有希望和最有前景的固态和移动应用。在各种燃料电池中，碱性燃料电池(AFCs)因其改善了氧还原动力学和更好燃料氧化动力学，以至于产生更高的效率和能够使用低成本的非贵金属催化剂优点而被认为是具有吸引力的选择。在过去的几十年里，人们对AFC的兴趣越来越大，特别是使用阴离子交换膜(AEMs)的AFC。在AEMFC中，AEM充当固态电解质输送氢氧根离子并防止阳极和阴极之间的燃料交叉。AEMs具有高燃料电池性能要求高的氢氧化物电导率，低溶胀度和优异的化学稳定性。

然而，氢氧根的低迁移率是成功应用阴离子交换膜燃料电池的的主要障碍。为提高AEM的阴离子电导率，许多新技术研究了含有导电基团的材料，例如聚亚芳基醚，聚醚酰亚胺，聚苯乙烯，聚苯并咪唑，聚烯烃和聚苯醚等。但最近的研究发现，这些含有醚氧键的聚合物主链均存在热碱环境中容易被攻击导致分子链降解的缺点，因此，寻找一种稳定的聚合物导电材料至关重要。此外，不同的策略表明，功能基团的不同，对膜的性能存在很大的影响。因此，如今研究中许多努力都集中在开发高性能AEM上，重在提高膜的碱性稳定性和离子电导率。

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离子电导率，提供了一种长支链双梳状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，再将聚合物接枝长支链离子液体并制膜。所制备的膜具有较好的碱性稳定性和较高的离子电导率，可应用于碱性燃料电池中。

本发明的技术方案：

一种长支链双梳状聚芳基吲哚阴离子交换膜，其结构如下：

其中，x＝0.01～1；n₁＝1～12的正整数；n₂＝1～6,8,10,12,14～19的正整数；R为引入的功能基团，为三甲胺，1-甲基咪唑、2-甲基咪唑、1,2-二甲基咪唑、N-甲基吗啡啉、N-甲基哌啶或N-甲基吡咯烷。

一种长支链双梳状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的混合溶剂中，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，溶剂A与溶剂B的体积比为0.01～0.33；

所述的2,3-吲哚二酮与联苯的摩尔比为1～1.1：1，2,3-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％；

所述的析出剂D为甲醇和/或乙醇；

所述的溶剂E为二甲基亚砜(DMSO)或N-甲基吡咯烷酮(NMP)；

所述的粗产品在溶剂E中的w/v为5～20％。