[发明专利]一种季铵盐功能化聚砜-纳米凹凸棒石杂化阴离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明提供了一种荷正电季铵盐功能化的聚砜/纳米凹凸棒石杂化阴离子交换膜及其制备方法，属于碱性阴离子交换膜燃料电池领域。该方法采用三甲基氯硅烷和多聚甲醛作为聚砜氯甲基化试剂，氯化锡作为催化剂，通过控制聚砜和三甲基氯硅烷、多聚甲醛、氯化锡的摩尔比以及氯甲基化的反应时间来控制聚砜的氯甲基化程度，采用荷正电季铵盐功能基团作为传输OH^‑离子的功能基团，通过门秀金反应将功能基团接枝到氯甲基化聚砜上，采用亲水性纳米凹凸棒石作为无机添加材料，通过大功率超声、机械搅拌等方法将其分散到荷正电季铵盐功能化的聚砜溶液中，通过流延法制备荷正电季铵盐功能化的聚砜/纳米凹凸棒石杂化阴离子交换膜。

技术领域

本发明属于碱性阴离子交换膜燃料电池领域，具体的说涉及一种荷正电季铵盐功能化的聚砜/纳米凹凸棒石杂化阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

随着全球经济的快速发展，能源需求日益增加，传统化石能源过度开发和大规模消耗的同时也给环境与气候也带来了严重的污染问题，使得国际上对清洁、高效能源的需求不断增长。燃料电池作为一种不受卡诺热机循环限制通过电化学氧化还原反应直接将燃料化学能中的部分吉布斯自由能持续转化为电能的高效能量转换装置，其具有工作温度低、启动快、功率高、结构简单、操作方便等优点，被公认为是电动汽车、固定发电站等的首选能源，近年来得到了迅猛的发展。根据燃料电池中隔膜的类型可以把燃料电池分为质子交换膜燃料电池和阴离子交换膜燃料电池。

质子交换膜燃料电池具有操作温度低、结构紧凑、功率密度高、启动时间短等优点，使其早期发展迅速。目前，由杜邦公司(DuPont)研究开发的全氟磺酸型质子交换膜(Nafion系列)已经成功商业化的应用在质子交换膜燃料电池领域，并且获得了优异的燃料电池性能。然而，质子交换膜燃料电池的燃料渗透率高，需要使用铂等贵金属催化剂，使得成本显著增加，很大程度上限制了质子交换膜燃料电池的进一步开发应用和大规模商业化的推进。相对的，在阴离子交换膜燃料电池中，载流子主要是氢氧根离子，并且其传导方向与燃料的传输方向相反，极大程度上降低了燃料的泄漏渗透，此外，在阴离子交换膜燃料电池阴极的高pH环境下，氧更容易被还原，并且催化剂在高pH条件下不易被腐蚀，因此非贵金属或者廉价的金属氧化物可以用来作为碱性阴离子交换膜燃料电池的催化剂，大大降低了制造成本，使得阴离子交换膜燃料电池受到了广泛的关注。

近年来，碱性功能化聚合物基阴离子交换膜发展迅速，聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚芳基醚酮、聚砜、聚醚醚酮等聚合物被广泛的用作阴离子交换膜的基体，并且季铵盐、咪唑、胍基等碱性阳离子功能基团被用作离子交换功能基团，通过化学反应接枝到聚合物基体上，制备出了多种阴离子交换膜。尽管阴离子交换膜制备技术已经取得了重大进展，但其在氢氧根离子电导率和耐碱稳定性方面仍然有待提高。有机-无机杂化策略是一种被广泛用来改善高分子聚合物膜尺寸稳定性和机械性能的方法。目前，常用于制备阴离子交换膜的无机纳米颗粒主要有一维碳纳米管、二维石墨烯以及三维不规则球体和金属-有机框架等。在聚合物基体中引入亲水性无机纳米颗粒，有助于构建连续的亲水性离子传输通道，减少由于聚合物基体的弯曲折叠而造成的离子通道堵塞问题，有效地提高了离子交换膜的离子传导能力。此外，可以通过添加不同的无机材料来选择性的提高膜的机械性能、热稳定性、碱稳定性中的一种或多种。

发明内容

本发明的目的是提供一种季铵盐功能化的聚砜/纳米凹凸棒石杂化阴离子交换膜及其制备方法，该方法制备的杂化阴离子交换膜的氢氧根离子电导率高、机械性能和耐碱稳定性好，并且杂化膜的各项性能可以通过调节实验参数来改变，可以根据不同领域的要求制备出不同性能的杂化阴离子交换膜。

本发明的第一个方面，提供了：

一种阴离子交换膜，是由如式（I）所示的季铵盐功能化的聚砜和纳米凹凸棒石共混得到；

（I）。

在一个实施方式中，季铵盐功能化的聚砜和凹凸棒石的重量比是1：（0.05%～2%）。