[发明专利]一种噻唑功能化的碱性阴离子交换膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种阴离子交换膜及其制备方法，特别是涉及噻唑型基团作为功能化基团的阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

在过去的数十年中，许多学者致力于高效发电装置的研究，因此可以提供高能量密度、较高能量转化率和较低污染物排放的能量转换技术成为研究的热点，燃料电池就是在这种技术的研究中不断得到发展的。燃料电池是一种可以将燃料中的化学能转化成电能的装置，由于不发生燃烧反应，能量转化过程不受卡诺循环的限制，能量转化效率高且环境友好。

离子交换膜作为燃料电池的关键组件，不仅需要分隔阴阳两极内的燃料和氧化剂，同时最重要的是作为介质传导离子，离子交换膜的选择直接影响燃料电池的能量转化效率和使用寿命。根据传导离子不同可以将其分为阴离子交换膜和阳离子交换膜：阳离子交换膜传导H⁺，阴离子交换膜传导OH^-。由于碱性环境下阳极氧化反应速率高、原料液的渗透率低，水管理相对简单等优点，碱性阴离子交换膜燃料电池被认为是优于质子交换膜燃料电池的一种新型发电装置，阴离子交换膜也因此成为研究的热点。传统阴离子交换膜的制备是在氯甲基化聚合物基质中通过季铵化反应引入离子交换基团。季铵化试剂的选择决定了季铵基团的电化学活性和稳定性。

目前，碱性燃料电池阴离子交换膜常用的功能化基团是季铵基团和季鏻基团，但这些阳离子基团在碱性条件下可以通过霍夫曼消除反应、叶立德机理或SN2双分子亲核取代发生降解反应，导致OH^-的传导能力急速下降，从而影响了电池的使用寿命和性能。

为了改善碱性燃料电池阴离子交换膜的化学稳定性，咪唑作为功能化基团被接枝到碱性膜中，由于咪唑鎓离子具有共轭五元杂环结构以及咪唑环的空间位阻，使得咪唑作为碱性膜功能化基团具有优良的化学稳定性，为碱性燃料电池阴离子交换膜的研究提供了新的方向。

发明内容

为了在功能化基团方面进一步作出研究，本发明提供了一种新型噻唑型基团作为功能化试剂接枝到碱性阴离子交换膜上，其制备方法简单易行，可操作性强，该方法制备的阴离子交换膜离子传导率较高，机械性能良好，具有在阴离子交换膜方面应用的潜力。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种噻唑型基团功能化的阴离子交换膜，所述交换膜的功能化基团具有如下结构：

噻唑型基团功能化的阴离子交换膜制备方法，所述方法包括以下步骤：

聚醚砜溶解于98﹪浓硫酸中，完全溶解后加入氯甲基化辛基醚，搅拌下进行反应；反应结束后，将反应物在水中沉淀，再用去离子水、无水乙醇将产品清洗至中性，产品经过抽滤、室温晾干，得到氯甲基化聚醚砜；氯甲基化聚醚砜的结构简式如下：

将氯甲基化聚醚砜溶解于有机溶剂中配制成溶液；

噻唑型基团投入到上述溶液中，在反应温度为60-100℃胺化处理，，反应时间为6-48h,将铸膜液进行重沉淀处理，除去铸膜液中多余的噻唑型基团，用无水乙醇将膜材料清洗，再用无水乙醇浸泡，产品经过抽滤、室温晾干，得到噻唑型基团功能化的膜材料，最后将膜材料溶于有机溶剂中配成铸膜液，铸膜，得到噻唑型基团功能化的阴离子交换膜。

噻唑型基团功能化阴离子交换膜的结构简式如下：

根据噻唑型基团功能化的阴离子交换膜制备方法，所述的有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、二氯乙烷、四氯乙烷、二氯甲烷、氯仿或混合溶液。

根据噻唑型基团功能化的阴离子交换膜制备方法，所述噻唑型基团进行功能化反应的聚合物浓度为2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％。

所述噻唑型基团功能化的阴离子交换膜制备方法，所述噻唑型基团进行功能化反应的氯甲基数和噻唑基团的比例是1:1、1:1.5、1:2、1:3、1:5、1:8、1:10。

所述噻唑型基团功能化的阴离子交换膜制备方法，所述噻唑型基团进行功能化反应的反应温度60-100℃，反应时间是6-48h。

所述噻唑型基团功能化的阴离子交换膜制备方法，所述噻唑型基团功能化的阴离子交换膜的烘膜温度为40-80℃，烘膜时间为12-72h。

所述噻唑型基团功能化的阴离子交换膜制备方法，所述重沉淀的沉淀剂为水、甲醇、乙醇、丙醇、乙醚、四氢呋喃、丙酮、丁酮、乙酸乙酯中的一种或两种以上的混合溶剂。

具体实施方式