[发明专利]一种铵根离子修饰的含氟嵌段共聚物及其应用

说明书

本发明属于微生物燃料电池领域，具体涉及一种铵根离子修饰的含氟嵌段共聚物及其应用。本发明提供的铵根离子修饰的含氟嵌段共聚物可以用于制备微生物燃料电池的粘合剂，具有抗污染性能，减少电极在电池长期运行过程中的受污染程度以及可以减缓催化活性降低的速率，有利于微生物燃料电池长期有效运行，采用本发明提供的粘合剂与碳质催化剂制备的阴极可以替代Pt/C催化剂和Nafion粘合剂组成的阴极,从而降低电池的成本。

技术领域

本发明属于微生物燃料电池领域，具体涉及一种铵根离子修饰的含氟嵌段共聚物及其应用。

背景技术

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是:在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。MFC中所使用的材料成本较高，限制其应用范围，其中阴极由于使用了昂贵的铂催化剂和Nafion（全氟磺酸树脂）粘合剂溶液，因此阴极的成本在MFC中所占比例最高。

为了避免使用昂贵的含铂催化剂，现有技术中已经开发了具有非贵重过渡金属合金催化剂和碳基材料催化剂的阴极，与大多数其它碳基材料相比，商业活性炭由于其低成本和催化活性被认为是用于MFCs的Pt / C催化剂的有希望的替代品，并且基于活性炭（AC）的阴极也已被开发为通过将AC压制或涂覆到镍网或不锈钢网集电器上来替代Pt / C电极，它们比碳布便宜且导电性更好。尽管这些基于AC的阴极的MFC具有与在碳布阴极上带有铂/炭黑（Pt / C）催化剂的电池MFC相媲美的最大功率密度和最大电池容量（CE），但金属网的腐蚀潜力降低了阴极的稳定性，限制其在MFC的应用。除催化剂外，聚合物粘合剂还起着影响阴极和MFCs性能的重要作用，因为活性催化剂通过聚合物粘合剂固定到集流体上。阴极在长期运行中随着时间的推移，表面会逐渐出现结垢，由于污垢限制了电子转移到阳极和质子转移到阴极，或者可能导致阴极催化剂中毒，因此会导致其性能下降。因此，需要一种价格低且防污的聚合物粘合剂用于制备具有更好性能且可长期稳定的MFC。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种铵根离子修饰的含氟嵌段共聚物及其应用。

本发明提供的第一方面，为一种铵根离子修饰的含氟嵌段共聚物，其化学式如下：

。

本发明提供的第二方面，为如上述的铵根离子修饰的含氟嵌段共聚物的制备方法，包括以下步骤：

（1）在氮气保护下，十氟联苯、双酚A、无水碳酸钾加入到极性非质子溶剂中，反应至结束，将反应液倒入到乙醇盐酸溶液，有固体析出，过滤得到颗粒状固体，用索氏提取器进行提取，干燥后得到含有双氟端基的齐聚物；其中十氟联苯的摩尔量大于双酚A的摩尔量；

（2）在氮气保护下，十氟联苯、双酚A、无水碳酸钾加入到极性非质子溶剂中，反应至结束， 将反应液倒入到乙醇盐酸溶液，有固体析出，过滤得到颗粒状固体，用索氏提取器进行提取，干燥后得到含有双酚羟基的齐聚物；其中十氟联苯的摩尔量小于双酚A的摩尔量；

（3）将步骤（2）得到的含有双酚羟基的齐聚物溶于四氯甲烷中，加入多聚甲醛，在冰浴条件下剧烈搅拌，缓慢滴加氯磺酸，升温至10-20℃反应至结束，将反应液倒入乙醇盐酸溶液，有固体析出，过滤，干燥，得到氯甲基化含氟齐聚物；

（4）在氮气保护下，步骤（1）得到的含有双氟端基的齐聚物、步骤（3）得到的氯甲基化含氟齐聚物和碳酸钾加入加入到极性非质子溶剂中，反应至结束，将反应液倒入到乙醇中，过滤，干燥得到含氟共聚物；

（5）将步骤（4）得到的含氟共聚物浸泡到三甲胺水溶液中进行季胺化，得到铵根离子修饰的含氟嵌段共聚物。