[发明专利]一种含烷基长侧链的磺化聚芳醚酮砜与金属有机框架共混的质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含烷基长侧链的磺化聚芳醚酮砜与金属有机框架共混的质子交换膜及其制备方法，通过加入具有磺酸基团的的烷基长侧链构筑亲/疏水微相分离结构，之后加入金属有机框架作为有机—无机填料，MOFs的刚性骨架可以约束聚合物链的运动，增强复合膜的尺寸稳定性，框架内的氢键网络也能够为质子迁移提供通道，促进质子的传输。杂化膜的具体组成为：以含羧基与双键的磺化聚芳醚酮砜（C‑SPAEKS‑DBS）为有机基质，2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙烷磺酸（AMPS）为侧链，Im‑MOF‑801为有机‑无机填料，实验表明，本发明所制备的杂化膜的厚度在75‑90μm，表现出优异的质子传导率，相比较于纯C‑SPAEKS‑DBS‑AMPS（30℃为0.0487S/cm^‑1，80℃为0.0809 S/cm^‑1），C‑SPAEKS‑DBS‑AMPS‑0.5%Im‑MOF‑801（30℃为0.1205 S/cm^‑1，80℃为0.1992 S/cm^‑1），表现出极大的提升，约为纯膜的2.5倍。

技术领域

此项发明的研究领域是高分子化学与功能膜材料，具体表现为一种含烷基长侧链的磺化聚芳醚酮砜与金属有机框架共混的质子交换膜及其制备方法。

背景技术

燃料电池（Fuel Cell）是一种将化学能转化为电能的清洁型电化学装置。具有高效的能量转换和接近零排放等优点，因此受到许多研究者的青睐。目前，世界面临能源短缺，环境污染等问题，燃料电池作为一种清洁能源，可以帮助我们解决一些不可再生能源的依赖和环境破坏的问题。

燃料电池中应用最广泛的就是质子交换膜燃料电池（Proton Exchange MembraneFuel Cell, PEMFC），质子交换膜（PEMs）作为PEMFC的关键部件之一，起到了分隔燃料和氧化剂的作用。目前，商业化最成功的是美国Dupont公司研发的全氟磺酸膜（Nafion），虽然Nafion膜具有质子传导率高，稳定性好等优点，但是，Nafion膜的成本高，质子传导率对水表现出了极强的依赖性，当PEMFCs的操作温度超过80℃时，其质子传导率会因水分的流失而急剧下降。因此，开发廉价且性能优异的质子交换膜材料十分重要。

磺化芳香族聚合物具有耐热性好、力学性能好的特点，这类材料经过改性后，可以作为质子交换膜，在燃料电池领域有良好的应用；在聚合物内设计引入侧链结构构筑亲/疏水相分离结构，在这种结构中，一方面亲水基团连接在远离聚合物主链的侧链末端，具有灵活的运动能力，从而更易聚集形成亲水相区，提高质子传导率；另一方面聚合物主链也易形成稳定的疏水相区，这种明显的亲/疏水相分离结构能够改善膜的尺寸稳定性。金属有机框架因其具有高比表面积，可调控的孔径大小，可容纳多种客体分子等特点，被广泛应用于燃料电池领域，一方面MOFs 的刚性骨架能够约束聚合物链的运动，从而增强复合膜的尺寸稳定；另一方面MOFs 框架内的静电结合结构水在高温下不会蒸发，其相互连通的微孔结构及氢键网络也能够为质子迁移提供通道，促进质子的传输。

发明内容