[发明专利]一种用于质子交换膜燃料电池电解质的非咪唑离子液体

说明书

1.技术领域

本发明涉及离子液体合成。

2.背景技术

离子液体是一类熔点低于100℃的盐(参见：Fernicola，A.；Scrosati，B.；Ohno，H.，Potentialities of ionic liquids as new electrolyte media in advanced electrochemical devices.Ionics 2006，12(2)，95-102.)。这类盐通常由体积较大且对称性较差的阳离子和体积相对较小而对称性良好的阴离子构成。具有电导高、蒸汽压低以及溶解能力强等特点，被认为是一种可替代传统挥发性溶剂的绿色化学反应介质。随着对离子液体认识的逐渐深入探索，其应用已远超过当初的绿色化学范畴，在电解、太阳电池、催化剂领域甚至医学领域都存在巨大的应用前景。近年来，由于PEMFC的传统电解质膜-NAfion膜价格高昂，高度依赖水分等缺点，而且由于高温PEMFC的需求，离子液体作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的替代电解质的研究引起来极大兴趣(Ye，H.，et al.″New membranes based on ionic liquids for PEM fuel cells at elevated temperatures.″Journal of Power Sources178，.2(2008)：651-660.)，这主要是因为离子液体本身在不依赖水的情况下表现出较高的电导。

目前为止，研究较多的离子液体依然是咪唑类离子液体，这是因为这类离子液体易于合成，且多数熔点较低，室温下即为液态。但是以这类离子液体为电解质的燃料电池的性能普遍很低，一般最大功率密度只有1mW cm^-2左右(Sekhon，S.S.，et al.″Physicochemical properties of proton conducting membranes based on ionic liquid impregnated polymer for fuel cells.″Journal ofMaterials Chemistry 16，23(2006)：2256-2265.Lalia，B.S.，et al.，Physicochemical studies of PVdF-HFP-based polymer-ionic liquid composite electrolytes.Applied Physics a-Materials Science&Processing，2009.96(3)：p.661-670.)。为解决这一问题，必须要找出导致此结果的主要原因。很多研究者也提出了很多解释，例如有人认为是电池结构不合理，也有人提出是现有的测试设备不适合离子液体的PEMFC，还有人认为虽然离子液体虽然具有较高的电导，但是因为离子液体复合膜的电导相对较低，导致电池性能低下。我们研究组发现目前研究较多的咪唑类离子液体由于毒化燃料电池的Pt/C催化剂，导致催化剂活性面积大幅降低，还能导致阴极反应从比较有利的四电子过程向不利的两电子过程转移(Gao，J.，et al.，An efficient and green approach to prepare hydrophilic imidazolium ionic liquids free of halide and its effect on oxygen reduction reaction of Pt/C catalyst.International Journal of Hydrogen Energy，2012.37(17)：p.13167-13177.)因此，我们认为，咪唑类离子液体对催化剂的毒化作用很可能是导致电池性能低下的重要原因之一，若能避免对催化剂的毒化，应该可以再一定程度上提高这类PEMFC的电池性能。因此，如果可以开发出一种非咪唑类离子液体，其电池性能应有所提高。

本专利的目的便是提出一种非咪唑类离子液体作为PEMFC的电解质，在众多研究的离子液体中，吡啶类离子液体是一类重要的离子液体，但是作为电解质在PEMFC中的应用研究相对较少，这是因为这类离子液的阳离子稳定性较咪唑类离子液体要低，因而对其功能化的过程难度较大。本专利的目的则是提出这样一种离子液体，以用作PEMFC的电解质，电池实验表明，采用这类体以期提高以这类离子液体为电解质的燃料电池的电池性能比采用咪唑类离子液体作为电解质的PEMFC，其最大功率密度提高了15倍以上。

3发明内容