[发明专利]一种长支链聚芳醚腈阴离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明属于碱性阴离子交换膜技术领域，涉及到一种长支链聚芳醚腈阴离子交换膜及其制备方法，通过缩聚反应成功合成具有良好溶解度的聚芳醚腈聚合物，再直接以聚合物的胺基作为接枝位点对聚合物引入长支链结构，最后再进行功能化，从而获得具有较为良好离子传导通路的膜材料，最后通过浇铸法成膜。所制备的膜不仅具有较高的离子传导率，同时保持良好的尺寸稳定性，可在碱性燃料电池中应用。

技术领域

本发明属于碱性阴离子交换膜技术领域，涉及到一种长支链聚芳醚腈阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

随着能源危机日益加剧及全球环境污染日益恶化，人类开发清洁高效的新能源利用方式迫在眉睫。燃料电池由于其具有能量转化效率高、环境友好等特点近年来吸引了众多学者关注的目光。质子交换膜燃料电池凭借其优良的性能表现在近几年来已得到长足的发展，但质子交换膜作由于需使用贵金属铂做催化剂，大大增加了燃料电池的生产成本，严重阻碍了质子交换膜燃料电池的发展。碱性阴离子交换膜燃料电池相比于质子交换膜燃料电池具有相似的工作原理，但由于碱性条件下可以允许使用较少的催化剂或非贵金属催化剂，使成本大幅降低，因此，碱性阴离子交换膜燃料电池逐渐成为成为燃料电池领域研究的热点。

作为碱性阴离子交换膜燃料电池的核心部件，碱性阴离子交换膜与质子交换膜相比研究尚浅，主要存在着如下几个问题：氢氧根离子传导率低、膜尺寸稳定性差、碱性稳定性不高等。为了提高碱性阴离子交换膜的氢氧根传导率，可以在膜结构中引入长支链，且已有部分研究表明，相较于短支链的阴离子交换膜，具有较长支链的阴离子交换膜在离子传导能力上有更为优异的表现。为提高膜尺寸稳定性，通常采用交联的方法，然而交联又导致产物在有机溶剂中溶解性差，不利于膜的制备。已有研究表明，在膜的主链上引入氰基，可以在不牺牲产物的溶解性的情况下，减小膜的吸水溶胀度。

因此，为同时解决现有阴离子交换膜材料制备中氢氧根离子传导率低、膜尺寸稳定性差的问题，本发明将氰基引入膜中，通过增强的分子间相互作用来抑制膜溶胀而在另一方面又不牺牲膜的溶解性。另外，通过在带有腈基的聚合物骨架上以氨基为位点引入长支链结构，进一步促进了亲水－疏水部分的微相分离，促进了离子簇的产生，形成了贯穿的离子传输通道，从而使其具有较高的离子电导率，具有广阔的燃料电池应用前景。

发明内容

本发明旨在提高碱性阴离子交换膜的氢氧根离子传导率的同时又保证其尺寸稳定性，提供了一种长侧链聚芳醚腈阴离子交换膜的制备方法：通过缩聚反应成功合成具有良好溶解度的聚芳醚腈聚合物，再直接以聚合物的胺基作为接枝位点对聚合物引入长支链结构，最后再进行功能化，从而获得具有较为良好离子传导通路的膜材料，最后通过浇铸法成膜。所制备的膜不仅具有较高的离子传导率，同时保持良好的尺寸稳定性，可在碱性燃料电池中应用。

本发明的技术方案：

一种长支链聚芳醚腈阴离子交换膜，其结构如下：

其中：x＝0～0.9，y＝1～0.1；n＝1～16的整数；

R为引入的功能基团，为N-甲基吡咯烷、N-甲基吗啡啉、N-甲基哌啶、1-甲基咪唑、2-甲基咪唑、1,2-二甲基咪唑、三甲胺、三乙胺、三(2,4,6-三甲氧基苯基)膦、吡啶、胍中的一种。

一种长支链聚芳醚腈阴离子交换膜的制备方法步骤如下：

(1)聚芳醚腈的合成：