[发明专利]一种哌啶型阴离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种哌啶型阴离子交换膜及其制备方法，属于碱性阴离子交换膜技术领域。本发明首先合成不同取代度的哌啶型三单体聚合物，再直接以聚合物的哌啶酮作为接枝位点对聚合物进行季胺化后获得膜材料并制膜。所制备的膜具有较好的碱稳定性和机械强度，可应用于碱性燃料电池中。

技术领域

本发明属于碱性阴离子交换膜技术领域，涉及到一种哌啶型阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

随着能源短缺和环境污染等问题日益突出，在某些领域，清洁能源开始逐步取代化石能源。常规的清洁能源，诸如风能、太阳能和潮汐能等等，会受到自然条件的限制，无法直接被利用，相比传统的化石燃料和常规清洁能源而言，氢能是一种可替代的理想能源。它具有高能量密度和零碳排放等优势。燃料电池可将化学能直接转换为电能，具有极高的效率，将氢能和燃料电池技术相结合，得到阴离子交换膜燃料电池，具有低成本、高性能的优点。

碱性阴离子交换膜是碱性阴离子交换膜燃料电池的核心部件之一，通常是由含季铵基团的聚合物制备，起到选择性传递氢氧根离子并且分隔阴阳两极燃料的作用。这样的功能就要求碱性阴离子交换膜既有很好的传递氢氧根离子的能力，又能在碱性环境中保持性能的稳定。目前膜材料常用聚砜，聚醚醚酮等聚合物作为主链，但部分聚合物在碱性环境中会发生降解，存在离子传导率低，单体反应活性低，尺寸稳定性差的问题。因此寻找具有良好的碱性稳定性和高电导率的聚合物，是目前关注的热点之一。

发明内容

本发明旨在提高碱性阴离子交换膜的尺寸稳定性、碱性稳定性和氢氧根传递性能，提高反应活性，提供了一种催化剂用量较低的哌啶型阴离子交换膜的制备方法。合成了具有良好碱稳定性和机械性能的哌啶型三单体聚合物，通过控制单体的投料比例来控制取代度，再对聚合物与碘甲烷反应得到季胺化聚合物，并用季胺化聚合物进行铸膜。所制备的膜具有较好的尺寸稳定性和良好的离子传导率，可用于碱性燃料电池中。

本发明的技术方案：

一种用于碱性燃料电池的哌啶型阴离子交换膜，结构如下：

其中m＝0.4～0.6

一种用于碱性燃料电池的哌啶型阴离子交换膜的制备方法，步骤如下：

(1)哌啶型三单体聚合物的合成：将二苯醚溶于二氯甲烷中，溶解后加入N-甲基-4哌啶酮和丙酮酸甲酯，在冰浴下逐滴加入三氟乙酸、三氟甲磺酸，20min后撤去冰浴，室温下反应3小时后得到溶液，随后将溶液倒入溶剂A中沉淀，最后用水洗涤至中性，烘箱干燥得到三单体聚合物；

所述的二苯醚相对于二氯甲烷的摩尔浓度为1.8～2.0mol/L；

所述的二苯醚：N-甲基-4哌啶酮：丙酮酸甲酯的摩尔比为1:0.4～0.6:0.6～0.4；

所述的二苯醚与三氟甲磺酸的摩尔比为1：3；

所述的二苯醚与三氟乙酸的摩尔比为1：7；

所述的溶剂A为乙醚；

(2)季胺化聚合物制备：三单体聚合物溶于溶剂B中，溶解后加碘甲烷，最后加入碳酸钾，在60℃下避光反应一段时间。将反应结束后的溶液倒入溶剂C中析出，最后用溶剂C洗涤、过滤、干燥，得到季胺化聚合物。

所述的三单体聚合物:碘甲烷：碳酸钾的摩尔比为：1：1.5～2：1～1.5；

所述的溶剂B为N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜的一种；

所述的三单体聚合物相对于溶剂B的质量浓度为0.04～0.05g/mL；

所述的析出剂C为丙酮、乙酸乙酯中的一种；

所述的避光反应时间为36～48h；