[发明专利]一种采用非溶剂诱导相转化法制备基于聚苯并咪唑多孔聚合物离子交换膜的方法及其应用

说明书

本发明公开了一种采用非溶剂诱导相转化法制备基于聚苯并咪唑多孔聚合物离子交换膜的方法及其在碱性水电解槽中的应用，所述的多孔膜由带有苯并咪唑有机高分子聚合物的一种或多种为原料，通过非溶剂诱导相转化法制备而成。该类多孔膜不需要离子交换基团就可实现离子交换的传递。通过快速非溶剂诱导相转化法可制得高孔隙率、高溶剂吸收、电解质快速润湿和高机械强度的多孔膜。本发明制备的多孔膜通过碱掺杂后应用于碱性水电解槽中，表现出高的离子导电性和稳定的机械性能，在碱性水电解槽上具有非常好的应用前景。

技术领域

本发明属于碱性水电解槽技术领域，涉及一种多孔聚合物离子交换膜材料，具体涉及一种采用非溶剂诱导相转化法制备基于聚苯并咪唑多孔聚合物离子交换膜的方法及其应用。

背景技术

目前电化学储能技术(即通过电化学法分解水可以通过氢的形式储存可再生能源剩余电能)受到越来越多的关注(IEEE,2012,100,410)。基于全氟磺酸膜的质子交换膜(PEM)系统在高电流密度下运行可以产生高纯度的氢，但是受困于酸性环境下电极材料和催化剂的限制，阻碍了其无法大规模应用，使得人们开始转向深究传统的碱性水电解槽技术，在碱性条件下，相对容易发生的氧化还原反应促使有丰富且便宜的材料和催化剂供选择，这是大规模实现的一个重要方面。传统的碱性水电解槽是一种耐用和坚固的系统，已经在市场上销售了很长一段时间，但是传统的系统具有很高的内阻。因此，缩短电极间距离应是开发成本效益高、性能优良的先进碱性水电解槽的关键策略之(J.Electrochem.Soc.,2016,163,F3197)。

实现这一目标的热门方法是用阴离子交换膜膜代替多孔膜。这使得电极间距小于100mm，即令气体扩散型电极与膜直接接触的电池设计成为可能(J.HydrogenEnergy.,2011,36,15089)，因此基于季铵盐功能化聚合物的阴离子交换膜最近受到了广泛关注，但是改善聚合物骨架结构以改善长期稳定性以及氢氧化物离聚物形式中的阴离子交换部分仍然是一个艰巨的挑战。

另一种方案是在掺碱液的多孔聚合物形成离子溶剂化电解质膜系统周围建造电解槽，带有杂环的聚合物中的共轭结构具有碱性，使得这些类型的聚合物在掺杂酸或碱后能够运输质子或OH^-，将聚合物的机械稳定性和气密性与碱性水盐溶液的导电性能结合起来形成三元体系。Xing和Savadogo首先对系统进行了研究，表明其离子导电性在实际应用范围内(Electrochem.Commun.,2000,2,697)。目前已在电极粘合剂、醇、燃料电池和超级电容器中作为氢电解质的技术应用方面进行了探索。

多孔膜的制备方法很多，包括相转化法、涂覆法、模板浸渍、径迹刻蚀法等。其中相转化法最为常用，如蒸汽相沉淀、热沉淀、浸没沉淀等。非溶剂诱导相转化法是湿法工艺中应用最早、研究最多的薄膜制备方法，也称倒相法，广泛应用于各种分离膜。将此类膜掺碱液，可以增加膜的氢氧根离子的电导率和持液能力，应用到碱性水电解槽中的前景非常好。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种较高的电解质吸收率、优异的热稳定性和良好的机械性能的非溶剂诱导相转化法制备基于聚苯并咪唑(PBI)的多孔聚合物离子交换膜的方法及其在碱性水电解槽中的应用。

本发明的设计构思为：本发明采用多孔聚合物离子交换膜由带有苯并咪唑的有机高分子聚合物中的一种或二种以上为原料，再通过快速非溶剂诱导相转换法制备而成。

本发明通过以下技术方案予以实现。

一种采用非溶剂诱导相转化法制备基于聚苯并咪唑多孔聚合物离子交换膜的方法，由带有苯并咪唑的有机高分子聚合物中的一种或二种以上为原料，再通过快速非溶剂诱导相转换法制备而成，包括以下步骤：

(1)、将带有苯并咪唑结构有机高分子聚合物中的一种或多种为原料，将原料溶解在有机溶剂中，在温度为5～300℃下充分搅拌0.5～24h，制得原料完全溶解的铸膜液溶液，铸膜液溶液静置脱泡处理，铸膜液溶液中有机高分子聚合物浓度为1～70wt％；