[发明专利]一种基于SBS的阴离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明属于聚合物膜领域，具体涉及一种基于SBS的阴离子交换膜及其制备方法。首先将卤丙烯接枝到SBS脂肪主链上对SBS进行接枝改性，然后将改性后的SBS通过溶液浇铸法干燥成膜；随后将膜浸泡于胺溶液中，得到卤素型聚合物电解质膜；最后将制得的卤素型聚合物电解质膜浸泡于碱性溶液中进行离子交换，得到OH^‑型阴离子交换膜。该制备方法是将聚合物膜浸泡于胺溶液中，避免了传统季铵型阴离子交换膜制备过程中剧毒物质氯苯醚的使用，制备过程相对简单、绿色、安全。制得的阴离子交换膜的阳离子基团为季铵，且聚合物主链为嵌段结构，有利于形成亲/疏水相分离，进而促进AEM的离子电导率与耐碱稳定性的提高。

技术领域

本发明属于聚合物膜领域，涉及一种基于苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SBS)的阴离子交换膜，具体涉及一种低成本，高性能阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

现如今，由于环境污染与能源短缺问题的日益严重，人们对发展新型清洁能源的渴望愈发强烈。燃料电池作为一种可将燃料(如氢气、甲醇等)直接转换为电能的器件，中间不经过燃烧，故而效率不受卡诺循环的限制。因为燃料电池高效、清洁的优势，受到人们越来越多的关注。聚合物电解质膜作为燃料电池的核心部件，其性能的好坏直接影响电池的工作。一般，燃料电池根据其所用聚合物电解质膜的不同可划分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)和阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)。目前，市场上以质子交换膜Nafion膜为主，Nafion膜由于其质子电导率强烈依赖水，当温度升高时，水的挥发导致Nafion膜导电性能下降，严重影响了质子交换膜(PEM)的性能。同时，质子交换膜燃料电池需利用Pt等贵金属作为催化剂，使得电池成本居高不下，进一步限制了质子交换膜燃料电池的发展。

阴离子交换膜(AEM)在阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)内起分隔燃料和氧气以及离子传输的双重作用。由于阴离子交换膜燃料电池具有更高的阴极反应动力，并且不需要贵重金属作为催化剂。故而被认为可替代质子交换膜成为21世纪下一代新型低成本燃料电池体系的核心。比较典型的阴离子交换膜的制备方法是将阳离子基团(如季铵，咪唑，哌啶，吡咯等)接枝到聚合物(如聚苯醚，聚砜，聚苯并咪唑，聚醚醚酮，聚乙烯等)主链上。然而在这些有机阳离子基团中，基于季铵的阴离子交换膜由于其简单，廉价的制备过程被最为广泛地研究。通常认为聚合物主链将影响到膜的机械性能，热稳定性等；阳离子基团将影响到膜的电导率，耐碱性等。一张理想的阴离子交换膜(AEM)必须具有较高的离子电导率，优异的耐碱性能，良好的机械强度和热稳定性。

然而，目前已报道出来的AEM主要具有以下几个不足：(1)OH^-固有的离子迁移率和季铵基团的解离程度都偏低，导致AEM电导率低；(2)阳离子基团在高温强碱条件下存在Hofmann降解和亲核取代降解等反应导致膜耐碱性较差；(3)较复杂的膜制备过程以及较昂贵的原材料导致膜的成本较高，并与传统能源相比不具有价格优势。

SBS作为一种目前工业化生产产量最高的热弹性塑料，机械性能优越，价格低廉；其嵌段结构有利于AEM形成亲/疏水相分离结构。目前已有研究报道基于SBS的阴离子交换膜的制备，然而他们大多是将功能基团接枝到苯环上，然而苯环上的季铵基团耐碱稳定性较差(Macromolecules,2016,49(9),3361-3372)；也有文章报道在SBS脂肪主链上进行功能改性，然而其制备过程需用金属催化剂，制过程较复杂(J.Membr.Sci,2018,564,428-435)。因此，基于SBS可制备出一系列低成本，高性能的AEMs，同时寻求一种相对简单，绿色的制备方法势在必行。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足而提供一种低成本、高性能阴离子交换膜。

为达到上述目的，本发明提供了一种低成本、高性能的阴离子交换膜的制备方法，它包括以下步骤：

(a)将一定量的苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SBS)溶解于有机溶剂中，向反应体系中加入适量卤丙烯，以偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂反应24-36小时；