[发明专利]新型、含氟的磺化聚芳基高分子结构、高效制备及其应用

说明书

本发明涉及一系列新型、含氟的磺化聚芳基高分子结构、高效制备及该类聚合物在高温燃料电池、电化学氢泵以及反渗透等领域中的应用，属于离子交换膜材料制备工艺及燃料电池、电化学氢泵及水处理技术领域。本发明在系统调研文献的基础上，借鉴Sergei Fomine和许铜文课题组报道的合成方法，以2步，总收率＞70％成功的合成了一系列新型、含氟的磺化聚芳基高分子。解决了目前该类含氟的聚芳基聚合物磺化度低、离子交换容量低以等问题，将得到的磺化聚合物作为质子交换膜用于高温燃料电池，作为隔膜用于电化学氢泵，作为反渗透膜用于水处理。本发明涉及的氯磺酸磺化聚芳基聚合物制备条件温和简便，聚合物分子量高，成膜性能好，相应膜材料在高温燃料电池表现出较高的质子传电导率；在反渗透膜中表现出很好的除盐率及水通量。

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，涉及到燃料电池、化学氢泵及水处理等应用材料制备领域，特别涉及含氟、不含醚键、磺化聚芳基新型高分子及其高效制备方法，以及其在水处理、燃料电池及氢泵等领域中的应用。

背景技术

当今世界的能源与环境问题日益突出，“节能减排”势在必行，同时，我国的石油资源对外依存度高达70％左右，严重影响我国能源安全，急需寻找并推动绿色且丰富的新能源。而基于燃料电池技术的氢能，被认为是21世纪最为清洁的能源之一，由于其氢气来源多样性，例如化石能源制氢、工业副产氢、电解水制氢等，近些年来，各国政府对氢能及燃料电池投入越来越多。燃料电池作为一种能源技术，具有燃料效率高、供应安全及环境友好等优势，它和太阳能、风能、水力发电、生物燃料等一起被认为是未来替代化石能源的重要选择。燃料电池分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池以及阴离子交换膜燃料电池等。质子交换膜燃料电池是目前研究最多、实际应用最为广泛的，它是一种高效、高能量密度的清洁能源转换系统，在汽车、固定电源和移动电源等领域有着广泛的应用前景。中国、日本、美国等国家，比亚迪、丰田、本田等主要车企，都在全力推动质子交换膜燃料电池的商业化，越来越多的资金和人才投入到这个行业，但其大规模应用仍然受到成本和寿命等因素的制约。传统质子交换膜燃料电池，尤其是全氟磺酸系列为膜材料的PEMFC，具有化学稳定性好、高湿度下高质子传导性等优点，但其核心材料-全氟磺酸质子交换膜材料存在价格昂贵的缺点(PolymerReviews (2015)55：330-370)。

电化学氢泵具有很多优点，如：效率高、能耗低、产氢纯度高、模块化，结构简单、操作无噪声、气源无需高压、可高压输出等。其最大的优势是氢气的分离和压缩只需要一步完成，围绕氢能，其潜在的应用领域会非常广。利用电化学氢泵可以实现氢气的压缩，其可能达到的最高输出压力可达几百个大气压。在氢气量有限的情况下，电化学氢泵的优势会更明显(J Power Sources(2002)105：208-15，Electrochem Acta(1998)43(24)：3841-3846)。目前，研究者们利用电化学氢泵已经成功从各种含氢混合气体中分离出氢气，其中包括乙稀、甲烷、氮气、二氧化碳、一氧化碳等。低温操作(小于100℃)的电化学氢泵主要基于全氟磺酸的质子交换膜(如美国杜邦公司的Nafion膜)，其结构类似于质子交换膜燃料电池，但如上所述，该类材料价格昂贵。因此寻求价格低廉的新型质子交换膜材料已成为燃料电池和电化学氢泵科技领域最前沿的研究方向之一。