[发明专利]一种梳状长链型聚苯醚阴离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种梳状长链型聚苯醚阴离子交换膜及其制备方法，它的结构通式中包含如式(1)所示的重复单元，式中，n为聚合度，m为1～8的整数，为含N杂环阳离子基团或其衍生物。通过在聚醚主链上形成梳状长链结构，能够获得高柔韧性与机械性能的阴离子交换膜。

技术领域

本发明属于高分子材料领域，涉及一种阴离子交换膜，具体涉及一种梳状长链型聚苯醚阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

无论在生物领域或能源领域，具有高离子电导率的材料成为人们的研究重点。其中，阴离子交换膜，在众多领域都被广泛地研究，如药品的净化、海水中的盐的生产、废水处理和电化学装置(即酸性/碱性燃料电池，电渗析，电解和电去离子)。与酸型燃料电池相比，碱性燃料电池拥有其无法媲美的优势：(1)更为优异的氧气还原动力学与燃料氧化动力学；(2)更高的能量转化效率；(3)可使用非贵金属作为催化剂，大大降低了电池的成本。因而在燃料电池领域将有更好的发展。

碱性聚合物电解质膜作为碱性阴离子交换膜燃料电池的核心组件之一，其性能的好坏将直接影响到燃料电池的使用与寿命。在燃料电池中，阴离子交换膜(AEM)主要起到两个作用，一是对OH^-起到选择透过性作用(导体)；二是在阴阳两电极之间起到分隔的作用(分离器)。Han等(Macromolecules,2017,50,3323-32)通过设计出多阳离子的结构，以提高交换膜的离子交换容量(IEC)的方法来提升膜的电导率，然而这种方法会使膜的机械性能大大降低。因此，制备出实际应用于碱性燃料电池阴离子交换膜还存在许多问题有待研究人员去解决：(1)传统的季铵盐聚合物在合成过程中会用到剧毒物质氯甲醚，这对环境与人的健康会造成极其严重的伤害；(2)基于脂肪族主链的传统季铵型阴离子交换膜由于其刚型的主链结构，膜的机械性能尤其是柔韧性大大降低。由此，发明一种兼具较高电导率和良好的柔韧性能的阴离子交换膜便成为研究热点。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种梳状长链型聚苯醚阴离子交换膜。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种梳状长链型聚苯醚阴离子交换膜，它的结构通式中包含如式(1)所示的重复单元，

式中，n为聚合度，m为1～8的整数，为含N杂环阳离子基团或其衍生物。

优化地，m为1。

优化地，为选自咪唑阳离子基团、吡咯阳离子基团、哌啶阳离子基团、吡啶阳离子基团和其衍生物中的一种。

进一步地，为

本发明的又一目的在于提供一种上述梳状长链型聚苯醚阴离子交换膜的制备方法，它包括以下步骤：

(a)将溴化聚苯醚与3-溴烷基胺氢溴酸盐溶于第一溶剂中，在无水、无氧的条件下加热搅拌反应，随后倾入醇类溶剂或水中析出，洗涤多次后得第一产物所述溴化聚苯醚与3-溴烷基胺氢溴酸盐的摩尔比为1：0.95～1.2，所述醇类溶剂或水的体积至少为所述第一溶剂体积的10倍；

(b)将所述第一产物与含氮杂环化合物共混于高沸点溶剂中，在无水、无氧的条件下加热搅拌反应，随后倒入聚四氟乙烯模具内，蒸干高沸点溶剂得卤素型聚合物电解质膜；再置于氢氧化钾或氢氧化钠溶液中进行离子交换即可。

优化地，所述第一溶剂为N-甲基吡咯烷酮。

优化地，步骤(a)和步骤(b)中，加热的温度相互独立地为30～60℃，搅拌时间相互独立地为10～50小时。