[发明专利]一种含吡啶骨架的阴离子交换膜及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种含吡啶骨架的阴离子交换膜及其制备方法与应用。本发明所提供含吡啶骨架的阴离子交换膜具有如式(Ⅰ)所示结构。本发明采用含有吡啶骨架的聚醚酮或/和聚醚砜类的聚芳醚化合物为主链，以季铵盐侧基为侧链，经涂覆法制备而成。此种含吡啶骨架的阴离子交换膜具有比较高的离子传导性能、优良的机械性能、热稳定性能以及化学稳定性，可以作为电池隔膜应用到碱性阴离子交换膜燃料电池和全钒液流电池中。同时，此种阴离子交换膜还可用于电渗析、海水淡化、污水处理等领域。

技术领域

本发明涉及电化学领域和高分子膜材料领域，具体涉及一种含吡啶骨架的聚芳醚化合物、阴离子交换膜及其制备方法与应用。

背景技术

燃料电池被认为是二十一世纪最具发展前景的能量转换设备之一。质子交换膜燃料电池，由于需使用价格昂贵的全氟磺酸膜和贵金属催化剂，同时还存在甲醇燃料渗透以及中间产物导致电极催化剂中毒等缺陷，严重阻碍了其进一步大规模的市场化应用。为了克服这些技术问题，科研工作者提出了碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFCs)概念，它是一种在碱性环境下工作的燃料电池技术，与质子交换膜燃料电池相比，具有明显的特点和优势：能够有效地阻隔阴阳两极的燃料和氧化剂，甲醇渗透率低；具有比在质子交换膜燃料电池中更快的反应速度；不会造成电极催化剂中毒；可使用Ag，Ni，Co等地球储量丰富的过渡金属，避免了必须使用贵金属催化剂的情况，大大降低了生产成本。

作为AAEMFCs的重要组成部分，阴离子交换膜的性能对电池的性能具有重要影响。AAEMFCs中的阴离子交换膜，需要有比较高的离子电导率、高的化学稳定性和热稳定性以及良好的机械性能等。目前阴离子交换膜存在在AAEMFCs中电导率低、化学稳定性差的问题。能否制备出含有高OH^-电导率的同时保持适当的溶胀度、具有足够的机械强度和化学稳定性并能够耐80℃以及以上的高温是AAEMFCs阴离子交换膜商业化面临的重要挑战之一。阴离子交换膜的主链一般由聚芳醚类化合物或脂肪链聚合物构成，侧基由带电荷的季铵盐基团构成。聚芳醚化合物具有卓越的热稳定性、机械性能和耐腐蚀性能，在燃料电池离子交换膜材料领域受到广泛的应用。因此，开发一种离子电导率高、热稳定性和化学稳定性好、低成本的聚芳醚类阴离子交换膜具有非常重要的实用意义。

本发明说明了基于含有吡啶骨架的聚芳醚化合物具有比较高的热稳定性，其阴离子交换膜具有比较高的离子传导率、机械性能、化学稳定性以及热稳定性能，能够作为阴离子交换膜应用在碱性阴离子交换膜燃料电池和全钒液流电池中。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种含吡啶骨架的阴离子交换膜，该阴离子交换膜具有比较高的离子电导率和化学稳定性，主链由聚芳醚化合物构成，同时具有良好的机械性和热稳定性能。

本发明的技术方案如下：

一种含吡啶骨架的阴离子交换膜为如下式(Ⅰ)所示的含吡啶基团和季铵盐侧基的聚芳醚化合物：

其中x和y代表聚合度，x＝1～200且y＝1～200，0<x/(x+y)<1且0<y/(x+y)<1,聚合物的相对分子量为10000～100000；Q可为氢原子、甲基或季铵盐基团；

中的任意一种。

所述的和各自独立选自式(1)～式(3)中的一种：

当Q＝氢原子时：选自下式(4)～式(6)中的任意一种：

T＝甲基或季铵盐基团。

当Q＝甲基或季铵盐基团时，选自下式(7)～式(12)中的任意一种：

优选的，侧链季铵盐基团可为如下取代基中的任意一种：