[发明专利]一种基于聚芴的侧链型阴离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种聚合物阴离子交换膜及其制备方法，尤其涉及一种基于聚芴的侧链型阴离子交换膜及其制备方法。通过Suzuki偶联反应合成一系列不含弱键的聚芴基高分子材料作为AEMs的主链骨架，为保持AEMs的强度，向聚芴主链中引入稳定的烷基链段，调节聚芴的链柔性和溶解性，并调节季铵阳离子和主链上芳环的距离，降低阳离子对主链的极化效应，提高AEMs的耐碱性；制备基于聚芴的聚合物，构建微相分离结构以提升聚合物膜的离子导电率。整个制备过程简单，高效。

技术领域

本发明涉及一种聚合物阴离子交换膜及其制备方法，尤其涉及一种基于聚芴的侧链型阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

近年来，环境污染和能源短缺问题日益严重。燃料电池作为一种高效、清洁的新型能源转换装置引起了人们的广泛关注。燃料电池种类众多，其中聚合物电解质膜燃料电池以固态的电解质膜替代了电解液，具有更高的功率密度和更强的CO₂耐受性，近十年成为了研究热点。聚合物电解质膜燃料电池根据所用电解质膜的不同，一般可划分为质子交换膜燃料电池(PEMFCs)和碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs)。相比较于PEMFCs。AEMFCs拥有更快的阴极反应动力学速度，可以摆脱对贵金属催化剂的依赖，因而受到了人们的广泛关注。

阴离子交换膜(AEMs)作为AEMFCs的核心组件，起到分隔燃料与氧气，以及传导离子的双重作用。其性能的好坏将深刻影响AEMFCs运行时的效果和寿命。为了满足AEMFCs的正常工作，理想的AEM必须具有较高的离子导电性，良好的热稳定性，出色的尺寸稳定性、机械强度以及优异的耐碱稳定性等。典型AEMs由聚合物主链骨架和季铵阳离子基团组成，经过近年来科研工作者的努力，AEMs和AEMFCs的研究取得了很大的进展，然而AEMs耐碱性差和离子电导率偏低的现状导致目前还没有商业化AEMFCs的出现，解决这两大难题是推广和使用AEMFCs的关键。

为提高AEMs的离子导电性，最常规的做法是提高聚合物电解质膜的离子交换容量(IEC)，然而IEC的提升必然会导致膜内吸入大量的水，进而导致膜的尺寸稳定性急剧下降。交联结构的引入可有效改善膜的尺寸稳定性和机械强度，可同时却又限制了离子的传导。最近的研究发现，在聚合物电解质膜内构建亲/疏水相微相分离结构，可为离子的传输提供快速通道，从而有效提高膜的离子电导率。同时聚合物中的疏水相可有效限制膜的溶胀，增强膜的机械性能。一般构建微相分离的方法有离子团簇，梳状侧链，嵌段，阳离子悬垂等。提升聚合物的耐碱稳定性是推广AEMFCs的另一项难题。在AEMs工作时，作为导电基团的阳离子在高温、高碱性环境下会被OH-亲核进攻，从而被降解破坏。进一步的研究发现，聚合物主链中若含有醚键等弱键也会被OH-进攻导致聚合物降解。因此，在制备高耐碱性AEMs时，必须综合考虑聚合物主链骨架和阳离子基团的耐碱稳定性，同时季铵阳离子对聚合物主链的诱导效应也不能忽略。

发明内容

本发明通过Suzuki偶联反应合成一系列不含弱键的聚芴基高分子材料作为AEMs的主链骨架，为保持AEMs的强度，向聚芴主链中引入稳定的烷基链段，调节聚芴的链柔性和溶解性，并调节季铵阳离子和主链上芳环的距离，降低阳离子对主链的极化效应，提高AEMs的耐碱性；制备基于聚芴的聚合物，构建微相分离结构以提升聚合物膜的离子导电率。整个制备过程简单，高效。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种阴离子聚合物，所述阴离子聚合物的重复单元如下所示：

其中，n为聚合度，是整数且不为0；x为1～12的整数；y为2～12的整数；R为季铵、螺环季铵、咪唑鎓、哌啶鎓、吡啶鎓、吡咯鎓等阳离子。

本发明还提供了一种基于聚芴的侧链型阴离子交换膜的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤(1)：9,9-二溴烷基-2,7-二溴芴单体的制备。