[发明专利]强碱性聚芳醚离聚物及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及碱性燃料电池用阴离子交换膜材料，特别涉及聚芳醚离聚物及其制备方法以及它们在碱性燃料电池的阴离子交换膜中应用。 

背景技术

燃料电池技术因其低污染、高能源转换效率，成为近年来最受瞩目的新能源技术。以美国Dupont公司研发的全氟骨架的磺酸离子交换膜(Nafion)为代表的一类质子交换膜以其优异的电化学性能以及良好的导质子性能，广泛应用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)。然而全氟质子交换膜价格昂贵，阻醇性能较差，昂贵金属Pt催化剂和极板材料，以及催化剂易中毒等因素都大大的阻碍了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的大规模商业化。 

碱性燃料电池由于在碱性环境中工作，避免了一些质子交换膜燃料电池的缺陷。譬如，燃料电池所使用的燃料(H₂或CH₃OH等)在碱性条件下更容易被氧化，因此可以采用廉价的非Pt催化剂如Ag、Fe、Ni、Co等，一方面降低了燃料电池的成本，同时也避免了Pt催化剂的中毒问题。此外多数材料在碱性环境下的耐腐蚀性能远远优于在酸性环境下的耐腐蚀性能，而且在碱性体系下，OH^-由阴极向阳极移动，也极大减轻了以醇作燃料时的渗透问题。 

聚芳醚具有很好的热稳定性、机械性能、耐腐蚀性能，是制备碱性阴离子交换膜的优良母体材料。现已报道的聚芳醚阴离子交换膜材料制备复杂，价格高，且膜在碱性环境中稳定性不好，离子电导率不高。 

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明的目的之一在于提供一种聚芳醚离聚物，该离聚物具有高阻醇性，良好的化学稳定性、热稳定性、机械性能，高离子交换容量，高离子电导率的优点。 

本发明的目的之二在于提供上述聚芳醚离聚物的制备方法。 

本发明的目的之三在于提供上述聚芳醚离聚物的应用。 

本发明的目的通过以下技术方案实现： 

强碱性聚芳醚离聚物，具有以下结构： 

其中，n为30～170的任一整数；R为H、CH₂⁺N(CH₃)₃^-OH、CH₂⁺N(C₂H₅)₃^-OH、 

的结构为下列结构(a)～(g)中的任意一种； 

上述强碱性聚芳醚离聚物的制备方法，包括以下步骤： 

(1)聚芳醚的氯甲基化：将聚芳醚溶解在极性溶剂中，然后按聚芳醚∶氯化锌∶氯甲醚的摩尔比为1∶(1～3)∶(40～60)加入氯化锌和氯甲醚，在40～60℃，反应24～48h，将反应液用硅藻土过滤后倒入甲醇中，形成絮状沉淀；絮状沉淀经过滤后，用甲醇洗涤沉淀数次，再经真空干燥得到氯甲基化聚芳醚； 

所述聚芳醚具有以下结构： 

其中，n为30～170的任一整数； 

的结构为下列结构(a)～(b)的任意一种； 

(2)季铵化：将步骤(1)得到的氯甲基化聚芳醚在室温下浸泡到季铵化试剂中，反应24～48h后再用去离子水洗涤聚合物中残留的季铵化试剂，得到季铵化聚芳醚； 

(3)碱化：将步骤(2)得到的季铵化聚芳醚室温下浸泡到碱溶液中，反应24～48h再用去离子水洗涤至中性，得到强碱性聚芳醚离聚物。 

所述极性溶剂为四氯乙烷、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜中的任意一种。 

所述碱溶液为KOH溶液或NaOH溶液。 

所述季铵化试剂为三甲胺水溶液，三乙胺水溶液，1-甲基咪唑，1，2-二甲基咪唑中的任意一种。 

所述聚芳醚由以下方法制备： 

将二(4，4’-羟基苯基)二苯基甲烷、具有Ar₁结构的含氯或者含氟芳香单体、具有Ar₂结构的含氯或者含氟芳香单体按1∶0.5∶0.5的摩尔比投料，以N，N-二甲 基乙酰胺、环丁砜或N-甲基吡咯烷酮为溶剂，甲苯为带水剂，先在140～150℃反应4h，然后升温至170～180℃反应4～8h后，将反应液冷却至室温，滴至含有盐酸的甲醇溶液中，得到白色絮状沉淀，即为聚芳醚。 

上述强碱性聚芳醚离聚物用于制备碱性燃料电池的阴离子交换膜。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：