[发明专利]一种四氮唑质子传输试剂及其高温燃料电池质子交换膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料领域，具体涉及一种四氮唑质子传输试剂及其高温燃料电池质子交换膜的制备方法。 

  

背景技术

在此处键入背景技术描述段落。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种以固体聚电解质膜为电解质的燃料电池，具有室温启动快、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率和比能量高等特点。它不仅可以用于建设区域性电站，也特别适宜用作可移动动力电源。质子交换膜（PEM）是PEMFC中的关键组件，在PEMFC中既作为电解质传导质子，又作为介质隔离燃料与氧化剂。全氟磺酸聚合物（PFSA）Nafion是目前唯一商用PEM，但> 80 ^oC时失水导致导电性严重下降，很难满足高温PEMFC要求，开发导电性高（~0.1 S/cm）、电池性能长期稳定的高温聚合物质子交换膜（HT-PEM）是亟待突破的领域。 

为提高温度有很多PEM设计，如基于PFSA改性，即在PEM中引入亲水无机物或导电体，增加保水能力；促进全芳香磺酸碳氢聚合物亲水和疏水结构微相分离设计；基于聚苯并咪唑浸渍磷酸（PBI/PA）的改性设计等。Kreuer首次报道了咪唑浸渍磺酸聚醚醚酮制备HT-PEM，杂环化合物既作导电体又作质子溶剂替代水。Liu报道了三氮唑导电体，推动了HT-PEM的发展。研究证实三氮唑超分子质子转移与咪唑类似，但能垒小（4-8KJ/mol），并且三氮唑除与质子相连的氮原子外，其它2个氮原子均可链接质子，也具有形成分子间转移中间体的空间灵活性，因此重新取向容易；另外，三氮唑结构互变过程也对质子传输有贡献。四氮唑与三氮唑结构相似，也存在互变异构体，分子内较多氮原子相邻，据此分析是更优异的质子导体；另外，四氮唑制备实施方法简单，较三氮唑有较大的优势。 

发明内容

本发明的目的是提供一种四氮唑质子传输试剂，该质子传输试剂具有较优异的质子导电性。 

本发明的目的还在于提供该质子传输试剂作为构建质子交换膜材料应用方法，该质子交换膜具有良好的高温低湿度导电性，具有高温燃料电池应用前景。 

本发明是利用有机氰化物，经过偶氮化合物的[3+2]环加成反应制备两种结构的四氮唑质子传输试剂，并根据结构特点采用复合和共混缩聚方法制备质子交换膜，该质子交换膜具有良好的高温低湿度导电性。 

一、四氮唑质子传输试剂的制备 

本发明制备的四氮唑质子传输试剂结构通式有两种，如结构通式Ⅰ、结构通式Ⅱ所示。

  

     

结构通式Ⅰ

 

 结构通式Ⅱ

其中，对于结构通式Ⅰ四氮唑质子传输试剂，X：-H或者脂肪链、芳香、吡啶、吡嗪、嘧啶、咪唑、三氮唑或者它们的取代衍生物。对于结构（2）四氮唑质子传输试剂，A: S/O；B: -H或者脂肪链、芳香、吡啶、吡嗪、嘧啶、咪唑、三氮唑或者它们的取代衍生物；C: 乙氧基链、烷基链、含芳香基团或硅原子的分子链；Y: -Si(-OR)_nR_4-n，其中n<=2, R：-CH₃/ C₂H₅。

本发明所提供的结构通式Ⅰ四氮唑质子传输试剂的具体制备反应方程式如下： 

 其中，X为-H或者脂肪链、芳香、吡啶、吡嗪、嘧啶、咪唑、三氮唑或者它们的取代衍生物。如：

;  ; ; ; ; ; ; ;;; ;;;;;;;;;;;;; ; ; ; ; ; ; ;;   ; ; ; ; ;  ; ; ;;;;  ;  ; ; ; ; 等。