[发明专利]一种交联型功能化聚乙烯醇阴离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明涉及阴离子交换膜领域，特别是涉及一种交联型功能化聚乙烯醇阴离子交换膜，先将聚乙烯醇溶于极性非质子溶剂，随后加入氢化钠反应一段时间，继续加入溴代离子液体进行反应，将反应液倒入沉淀剂析出、清洗并干燥；将产物和交联剂溶于极性溶剂，通过涂覆成膜和离子交换得到阴离子交换膜。本发明基于交联型功能化聚乙烯醇的阴离子交换膜，引入的长柔性侧链离子液体促进膜形成微相分离，使膜具有较高的离子电导率；引入的交联结构提升了膜材料的尺寸稳定性；本发明还提供一种交联型功能化聚乙烯醇阴离子交换膜的制备方法，其反应条件温和、操作简单、成本低、应用前景广阔，有利于大规模生产。

技术领域

本发明涉及阴离子交换膜领域，特别是涉及一种交联型功能化聚乙烯醇阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

燃料电池由于具有能量转化率高、环境污染小、燃料来源广泛等优点引起极大关注。已商业化的质子交换膜燃料电池严重依赖于昂贵的铂基催化剂，在成本上限制了其大规模使用。相比而言，阴离子交换膜燃料电池具有阴极还原速率高、允许使用非贵金属催化剂等特点，能够大幅降低燃料电池的成本。然而作为核心部件之一的阴离子交换膜仍存在离子电导率低、化学稳定性差、尺寸稳定性不佳等缺点，阻碍了燃料电池技术的商业化进程。

目前作为阴离子交换膜主链的聚合物大多通过醚键相连接，不利于强碱性环境下膜材料的稳定性。现有技术公开了多种侧链型阴离子交换膜的制备方法，该专利选用的聚醚酮主链通过醚键连接，但该主链在强碱性环境下不稳定，易发生水解，导致膜的主链断裂、机械性能下降(Proc.Nat.Acad.Sci.,110(2013)2490-2495.)，且制备步骤繁琐，不利于大规模生产。为了改进这些问题，本发明通过功能化和交联方式改性聚乙烯醇，主链仅包含碳氢原子(-CH-CH2-)，有利于保持主链的化学稳定性。其离子基团距离主链较远，能够促进离子基团的局部移动性，并形成微相分离结构，从而提高离子电导率。引入的交联结构能够增强膜材料的尺寸稳定性，保证燃料电池的稳定运行。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种交联型功能化聚乙烯醇阴离子交换膜，其具有较高的离子电导率、良好的化学稳定性和尺寸稳定性。

本发明还提供一种交联型功能化聚乙烯醇阴离子交换膜的制备方法，其反应条件温和、操作简单、成本低、应用前景广阔，有利于大规模生产。

本发明采用如下技术方案：

一种交联型功能化聚乙烯醇阴离子交换膜，所述交联型功能化聚乙烯醇阴离子交换膜的化学结构式为：

对上述技术方案的进一步改进为，在所述交联型功能化聚乙烯醇阴离子交换膜的化学结构式中，n＝3～18。

对上述技术方案的进一步改进为，在所述交联型功能化聚乙烯醇阴离子交换膜的化学结构式中，R为以下任意一种：

一种交联型功能化聚乙烯醇阴离子交换膜的制备方法，包括如下步骤：

1)将聚乙烯醇溶于一定量的极性非质子溶剂，待溶解完全后加入氢化钠，在0～120℃反应0～48小时，随后加入溴代离子液体，在该温度下继续反应1～72小时，将得到产物倒入沉淀剂析出产物，过滤、清洗并干燥产物，得到功能化聚乙烯醇；

2)将步骤1)得到的功能化聚乙烯醇溶于极性溶剂，加入一定量的戊二醛，得到铸膜液，将其涂覆在平板，在0～100℃下挥发溶剂24小时，得到交联型功能化聚乙烯醇阴离子交换膜；在室温状态下，将所得的膜浸泡于1mol/L的氢氧化钠溶液48小时，使阴离子转化成氢氧根。

对上述技术方案的进一步改进为，在所述步骤1)中，所述极性非质子溶剂为二甲基亚砜、二甲基乙酰胺N-甲基吡咯烷酮或N,N-二甲基甲酰胺中的一种。