[发明专利]一种主链碳氟-酞菁催化层耐碱双极膜及其制备方法

权利要求书

1.一种主链碳氟-酞菁催化层耐碱双极膜，其特征在于：包括阳离子交换膜层和阴离子交换膜层，阳离子交换膜层和阴离子交换膜层都以全氟碳为主链，氮杂环作为阴离子交换膜层上的阳离子官能团；其中，阳离子交换膜层的化学结构式为：

阴离子交换膜层的化学结构式为：

x为含三氟氯乙烯结构单元聚合物主链的聚合度，n为含磺酸基团取代基侧链的聚合度，m为含咪唑取代基侧链的聚合度，n、m是不为零的整数；

其中，所述主链碳氟-酞菁催化层耐碱双极膜的制备方法，包括以下步骤：

S1、阳离子交换膜液的制备：将含三氟氯乙烯结构单元的聚合物溶于有机溶剂Ⅰ中，通氮气除氧，升温后按照摩尔比为1:(20~100):1:2将含三氟氯乙烯结构单元的聚合物、苯乙烯磺酸钠、CuBr和联吡啶加入反应体系中，在氮气保护下，在90~130℃条件下进行恒温磺化反应16~48h，将反应液装入透析袋中，在水透析24h；烘干透析袋中溶液，制得聚三氟氯乙烯接枝苯乙烯磺酸钠侧链共聚物；

S2、阴离子交换膜液的制备：将含三氟氯乙烯结构单元的聚合物溶于有机溶剂Ⅱ中，通氮气除氧，升温后按照含三氟氯乙烯结构单元的聚合物、乙烯基咪唑单体、CuBr和联吡啶的摩尔比1:(20~100):1:2混合，在氮气保护下，恒温反应16~48h，将反应液装入透析袋中，在水透析24h；烘干透析袋中溶液，制得聚三氟氯乙烯接枝乙烯基咪唑侧链共聚物；

S3、酞菁前驱体的制备：KH-560与含过渡金属氨基酞菁以摩尔比为1:1投料加入反应瓶中，加入有机溶剂Ⅲ搅拌均匀，室温反应1~3h，得到酞菁-KH560前驱体；

S4、双极膜中间层水解离催化剂的制备：将经过步骤S3获得的酞菁-KH560前驱体与硅烷偶联剂一起加入反应器中，同时加入酸性催化剂和蒸馏水，调节反应体系pH为2.5~3.5，在50~60℃条件下反应1~8h，得到KH-560改性酞菁硅溶胶作为双极膜中间层水解离催化剂；

S5、双极膜的制备：将经过步骤S1制得的聚三氟氯乙烯接枝苯乙烯磺酸钠侧链共聚物溶液流延在结净的玻璃板上，烘干制备阳离子交换膜层，在阳离子交换膜层上喷涂KH-560改性酞菁硅溶胶，晾干后将经过步骤S2获得的聚三氟氯乙烯接枝乙烯基咪唑侧链共聚物流延于阳离子交换膜层上，烘干后得到链碳氟-酞菁催化层耐碱双极膜。

2.如权利要求1所述的一种主链碳氟-酞菁催化层耐碱双极膜，其特征在于：所述步骤S1和S2中含三氟氯乙烯结构单元的聚合物为聚（偏氟乙烯-三氟氯乙烯）、聚（偏氟乙烯-三氟氯乙烯-四氟乙烯）、聚（四氟乙烯-三氟氯乙烯）或聚三氟氯乙烯中的任意一种。

3.如权利要求1所述的一种主链碳氟-酞菁催化层耐碱双极膜，其特征在于：所述步骤S1中有机溶剂Ⅰ为N,N-二甲基乙酰胺、二甲亚砜、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种或两种任意比例的组合。

4.如权利要求1所述的一种主链碳氟-酞菁催化层耐碱双极膜，其特征在于：所述步骤S2中含咪唑基单体为2-甲基-1-乙烯基咪唑、2,4-二甲基-1-乙烯基咪唑、2,4,5-三甲基-1-乙烯基咪唑、5-乙基-2,4-二甲基-1-乙烯基咪唑、2-乙基-4,5-二甲基-1-乙烯基咪唑、4-乙基-2,5-二甲基-1-乙烯基咪唑、2-丙基-4,5-二甲基-1-乙烯基咪唑、4-丙基-2,5-二甲基-1-乙烯基咪唑、2-丁基-4,5-二甲基-1-乙烯基咪唑、4-丁基-2,5-二甲基-1-乙烯基咪唑、2,4-二乙基-5-甲基-1-乙烯基咪唑、4,5-二乙基-2-甲基-1-乙烯基咪唑、2,4-二丁基-5-甲基-1-乙烯基咪唑或4,5-二丁基-2-甲基-1-乙烯基咪唑中的任意一种。

5.如权利要求1所述的一种主链碳氟-酞菁催化层耐碱双极膜，其特征在于：所述步骤S2中有机溶剂Ⅱ为四氢呋喃、N,N-二甲基乙酰胺、二甲亚砜、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种或两种任意比例的组合。

6.如权利要求1所述的一种主链碳氟-酞菁催化层耐碱双极膜，其特征在于：所述步骤S3中有机溶剂Ⅲ为无水甲醇、无水乙醇、异丙醇、四氢呋喃、丙酮中的任意一种或两种任意比例的组合。