[发明专利]一种含耐碱解阳离子基团和氟碳侧链的离聚物及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种含耐碱解阳离子基团和氟碳侧链的离聚物及其制备方法和应用，该离聚物的结构单元中含有超疏水性的氟碳侧链和耐碱解的功能阳离子。基于该离聚物所制备的阴离子交换膜具有离子电导率高和化学稳定性好等优势，可作为膜材料用于燃料电池和电解水等诸多领域，同时该离聚物也可以用于燃料电池催化层的粘结剂材料。

技术领域

本发明属于离聚物及其相关应用领域，具体涉及一种含耐碱解阳离子基团和氟碳侧链的离聚物及其制备方法和应用。

背景技术

离聚物又称为含离子的聚合物，一般有聚合物骨架、固定在聚合物骨架上的阳离子基团和可移动的阴离子三部分组成。由于其在聚电解质隔膜、燃料电池催化层粘结剂、离子交换树脂等领域的广泛应用，其开发和性能优化在化学工业和材料科学领域一直受到广泛的关注。其中，基于含阳离子离聚物的阴离子交换膜，是阴离子交换膜燃料电池的关键组件，氢氧根离子或其他阴离子通过其得以输送。另外，该离聚物还可以作为阴离子交换膜燃料电池的催化层的粘结剂，用于催化层内的离子传输。

阴离子交换膜用于燃料电池的隔膜和催化层中，均需要满足耐碱性好、吸水率适中、离子电导率高等基本条件。目前已经报道的阴离子交换膜材料中，通常是基于聚醚砜、聚苯醚和聚苯乙烯等聚合物骨架，以苄基三烷基铵为功能阳离子基团。但是，这类组合普遍存在耐碱性差和离子电导率低等缺点。

制备同时具有优异的化学稳定性和离子电导率的离聚物材料是限制阴离子交换膜相关应用的瓶颈。离聚物的耐碱性主要取决于聚合物主链和功能阳离子。近年来，主链不含醚键的聚芳基亚烷基离聚物和聚芳基哌啶阳离子离聚物因具有突出的碱解稳定性引起人们的广泛关注(W.-H.Lee,Y.S.Kim,C.Bae,ACS Macro Lett.,2015,4,814-818；C·裴，李宇亨，中国专利，CN 107112563 B；J.Wang et al.,Nat.Energy,2019,4,392-398；Y.Yan etal.,PCT,WO2019/068051 A2)。但是该类离聚物由于固有的刚性结构，所制备的阴离子交换膜难以形成微相分离的聚集态结构以提高薄膜的离子电导率和离子传输效率。另一方面，在申请号为201911079673.X的中国专利申请中，尽管提出了用多季铵阳离子侧链可以提高聚芳基亚烷基离聚物的离子交换容量和离子电导率，但是多季铵阳离子侧链本身的耐碱性不足可能会限制该类离聚物的应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种同时含耐碱解阳离子基团和氟碳侧链的离聚物及其制备方法和应用，所要解决的技术问题是使所制备的离聚物及基于其的阴离子交换膜具有优异的碱解稳定性和离子传导率。

本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：

本发明公开了一种含耐碱解阳离子基团和氟碳侧链的离聚物，其具有如式(1)所示的结构：

式中：含离子亚芳基结构单元中含有耐碱性较好的阳离子基团，亚芳基结构单元中含有疏水性氟碳侧链；含离子亚芳基结构单元和亚芳基结构单元之间通过碳碳单键连接，x＝0.05～0.95；m为10至1000之间的整数。

根据式(1)所示的含耐碱解阳离子基团和氟碳侧链的离聚物，具体可具有如式(2)、式(3)或式(4)所示的结构：