[发明专利]一种基于甲基吡咯烷阳离子的聚合物阴离子膜的制备方法

说明书

本发明属于新材料及膜技术领域，提供了一种基于甲基吡咯烷的聚合物阴离子交换膜的制备方法。该制备方法包含以下步骤：(1)将PVBC、MPy和PEK‑cardo分别溶解在极性有机溶剂中，加热且搅拌至完全溶解；(2)将MPy溶液和PEK‑cardo增强型聚合物溶液和PVBC溶液混合，加热搅拌得到均一透明溶液；(3)采用溶液浇铸法得到复合膜材料；(4)将上述复合膜完全浸泡在1mol/L KOH溶液中进行碱交换后，用大量去离子水冲洗后得到阴离子交换膜。本发明中通过调控PEK‑cardo在膜中的含量，实现了电导率与机械性能之间的平衡。

技术领域

本发明属于新材料及膜技术领域，涉及一种基于甲基吡咯烷阳离子的聚合物阴离子膜的制备方法。

背景技术

阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)，具有燃料氧化速率快，液体醇燃料渗透率低，可使用非贵金属催化剂等优点，越来越受到人们的重视。作为AEMFC的核心组件之一，阴离子交换膜(AEM)的性能将会直接影响到燃料电池的工作效率和使用寿命。

在传统的AEM的制备过程中，氯甲基化步骤往往需要使用具有剧毒致癌性的试剂，且氯甲基化和铵化试剂可能会对膜造成损伤或者出现铵化不均匀的现象。除此之外，传统的聚合物AEM的热和化学稳定性较低，在较高温度或碱性条件下聚合物中的季铵基团很容易发生降解，导致离子交换容量和电导率下降，影响燃料电池的使用寿命。除了热和化学稳定性的要求，聚合物阴离子膜的机械性能(包括抗拉强度和柔韧性)也是应用的关键指标。

发明内容

针对以上存在的技术问题，本发明基于聚(乙烯基苄基氯)(PVBC)和甲基吡咯烷(MPy)化合物之间的亲核取代反应，将甲基吡咯烷基团引入到PVBC骨架中，同时以聚芳醚酮(PEK-cardo)为聚合物增强组分，采用聚合物复合的方法，制备得到同时具有电导率高、高耐碱稳定性和良好机械性能的膜材料成本低，电导率高，所制备聚合物电解质膜为透明、均一致密的膜材料。

本发明的技术方案为：

一种基于甲基吡咯烷阳离子的聚合物阴离子膜的制备方法，包括以下几个步骤：

(1)在30～60℃条件下，将PVBC、MPy和PEK-cardo分别加入到极性有机溶剂中，搅拌溶解，得到透明的质量分数为1～3％的PVBC、MPy和PEK-cardo溶液；所述增强材料PEK-cardo的化学结构为：

(2)将PVBC溶液和MPy溶液以摩尔比1:1混合，磁力搅拌30min，进而向混合溶液中加入增强聚合物PEK-cardo溶液，继续搅拌得到透明均一的铸膜溶液，其中PEK-cardo占PEK-cardo与PVBC之和的质量比为0.15～0.50:1；

(3)采用溶液浇铸法制备复合膜材料，其中成膜过程为60-100℃温度下挥发溶剂，成膜时间为12～48小时；(4)将上述复合膜材料于室温下完全浸泡在1mol/L KOH溶液中的进行碱交换，浸泡24～72小时后，用去离子水将膜表面的KOH除去，得到氢氧型的基于甲基吡咯烷阳离子的聚合物阴离子交换膜。

进一步地，所述步的极性有机溶剂为N,N-二甲基乙酰胺，N,N-二甲基甲酰胺，二甲基亚砜，N-甲基吡咯烷酮中的一种。

本发明的有益效果为：

(a)该制备方法简单，不需要传统阴离子交换膜制备过程中的氯甲基化过程，避免了氯甲基过程了中致癌试剂的使用。

(b)通过在PVBC接枝的MPy复合膜中引入具有良好相容性的PEK-cardo增强聚合物，增强了复合膜的机械和尺寸稳定性，复合膜表现出良好的稳定性；

(c)所采用的增强型PEK-cardo聚合物，原料易得，价格便宜，且工艺简单易行，适合大规模的工业化生产；

(d)所制备的阴离子交换膜的电导率、含水率和离子交换量可以通过PEK-cardo和PVBC的质量比来简单调控。