[发明专利]非均相阴离子交换膜及装置

说明书

本发明公开了非均相阴离子交换膜及装置，其中离子交换膜，包括聚合物层以及形成于所述聚合物层上的无机物，聚合物层的组成材料的重复单元包括聚合物层的组成材料的通式为:，其中，m:n＝(0.5‑9):1；R1为带正电的环胺基；X选自羟基、氯离子、溴离子、碘离子、对甲苯磺酰氧基、三氟甲磺酸基、甲磺酰氧基。本发明产品具有良好的电化学性能，在包括离子交换、电解水等领域具有良好的应用。

技术领域

本发明是关于电化学技术，特别是关于一种非均相阴离子交换膜及装置。

背景技术

阴离子交换膜在电解、电渗析以及燃料电池技术等领域中扮演着重要角色。当前的阴离子交换膜大部分是通过将多种非离子型化合物的单体进行共聚得到，其中具有卤甲基官能团的单体在聚合后会进一步和含氮碱通过门舒特金反应形成季铵盐，如WO2020250057A1，WO2021204890A1等。但是聚合后的体系往往会残留部分未反应的卤甲基官能团，如WO2018204242A1等。对于阴离子交换膜而言，阴离子的跨膜传递是导电能力的关键。残留的未反应的卤甲基官能团并不能促进导电能力，同时可能阻碍环胺官能团之间的Π相互作用，限制微晶区的形成，进而影响膜本身导电性能的提升。同时，残留的苄氯可能会置换成苄醇，进一步可能会交联。因此使得膜制备在控制上变得难以进行。

此外，对于均相阴离子交换膜而言,薄的结构往往能带来更优的电化学性能，但是同时会导致机械强度偏低的问题。因此在阴离子交换膜领域，开发具有更优电化学性能，同时兼具机械强度的可控可规模化的膜材料是商业化发展中的重要挑战。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非均相阴离子交换膜及装置，通过优化非均相阴离子交换膜的组成和结构，有效改善了产品在离子交换、电化学、强度等多方面的性能。

为实现上述目的，本发明的实施例提供了非均相阴离子交换膜，包括聚合物层以及形成于所述聚合物层上的无机物，聚合物层的组成材料的重复单元包括聚合物层的组成材料的通式为:其中，m:n＝(0.5-9):1；R1为带正电的环胺基；X选自羟基、氯离子、溴离子、碘离子、对甲苯磺酰氧基、三氟甲磺酸基、甲磺酰氧基。

在本发明的一个或多个实施方式中，非均相阴离子交换膜包括聚合物层以及形成于聚合物层上的无机物，聚合物层的组成材料的重复单元包括聚合物层的组成材料的通式为:

其中，m:n＝(0.5-9):1；并且满足n、m、q共同限定使得R2对应单体在聚合物层中总质量不超过0.295％；R2选自烷基及其卤素单取代基团，烷基选自甲基、乙基、丙基、异丙基，卤素选自氯、碘、溴；R1为带正电的环胺基；X选自羟基、氯离子、溴离子、碘离子、对甲苯磺酰氧基、三氟甲磺酸基、甲磺酰氧基。优选的，m:n＝(1.5-3):1。进一步优选的，m:n＝(1.8-2.5):1。优选的，q/n≤0.95％。优选的，R2选自氯甲基。

需要说明的是，上述结构式中指重复单元的断链位置。

在本发明的一个或多个实施方式中，R1选自咪唑鎓、吡啶鎓、吡唑鎓、吡咯烷鎓、吡咯鎓、嘧啶鎓、哌啶鎓、吲哚鎓和三嗪鎓。优选的，R1选自咪唑鎓。进一步优选的，R1选自四甲基咪唑鎓。

在本发明的一个或多个实施方式中，无机物选自氧化锆、二氧化钛、硫酸钡、氢氧化镁、氢氧化镍、水滑石、碳酸钙。优选的，无机物选自氧化锆、水滑石、硫酸钡。进一步优选的，无机物选自水滑石、氧化锆，即优选为两者的一种或者两种组合物。进一步的，水滑石优选为MgAl-LDH或CaAl-LDH或ZnAl-LDH。进一步的，水滑石为Mg₁₂Al₆(OH)₃₆(Mo₇O₂₄)H₂O。