[发明专利]一种咪唑类离子液体及其制备方法和应用

说明书

本发明为一种咪唑类离子液体及其制备方法和应用。该离子液体的结构式如下，其中，m为1，2，3或4；n为2或3。所述的咪唑类离子液体的应用，用于在合成电池的阴离子交换膜中。所述阴离子交换膜包括：高分子基质、无机颗粒和离子液体；其中无机颗粒与高分子基质的质量比为0.01～0.1：1，无机颗粒与离子液体的质量百分比为1：2～4。本发明的咪唑型离子液体成本较低，具有较为理想的碱稳定性，可以作为制备阴离子交换膜的理想物质。

技术领域

本发明涉及离子液体技术领域，特别的是涉及一种咪唑类离子液体的制备及其在制备阴离子交换膜中的应用。

技术背景

随着当今社会的快速发展，我国对于能源的需求日益增长，能源问题成为了社会关注的重点。由于能源储量的快速减少并且化石能源使用带来的环境问题愈发严重，对于新能源的开发也迫在眉睫。燃料电池是以氢气、沼气以及天然气等作为燃料，采用双氧水、纯氧气或者空气作为氧化剂，将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的电化学设备。燃料电池可以依据电解质的类型可分为以下几类：固体氧化物燃料电池，碱性燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池和交换膜燃料电池等。其中离子交换膜燃料电池除了具有普通燃料电池的优点外，还具备许多独特的优势：使用氢氧或甲醇做燃料，燃料来源广泛；环境友好，排放量基本为零；反应速度快，室温下可做到快速启动，十分灵活；使用离子交换膜做电解质，无电解质流失问题。因此离子交换膜燃料电池成为当前开发的重点，用以解决能源稀缺的问题。

对于离子交换膜燃料电池来说，离子交换膜是其核心部件，是有离子交换和隔离物质等性质的高分子材料薄膜。离子交换膜可以防止阴阳极物质混合，延长电池使用寿命，并提高电池的输出电量。离子交换膜主要分为两种，质子交换膜和氢氧根离子交换膜。其中氢氧根离子交换膜由于可以使用廉价的催化剂代替贵金属催化剂，使得成本大量降低和便于生产等优点，具有良好的应用前景。理想的阴离子交换膜应具有良好的离子传导率，较高的机械稳定性和较低的膜电阻。但是目前所生产的阴离子交换膜普遍拥有稳定性差和离子传导率低等缺陷，这也成为了研究需要攻克的重点。

为解决阴离子交换膜的存在缺陷，开始尝试在阴离子交换膜中引入离子液体，但是目前在离子交换膜中引入离子液体的技术并不多见，并且膜性能提升效果不好。离子液体的品种很多，可以按照阴阳离子的不同划分为咪唑类、季铵类和哌啶类等。其中咪唑型离子液体种类较多，成本低，易制得，且其五元杂化共轭结构，具有良好热稳定性。若将咪唑型离子液体成功引入阴离子交换膜中会对膜的离子传导性能和结构稳定性有较大增益。

发明内容

本发明的目的是为改善阴离子交换膜性能的不足，提供一种咪唑类离子液体的制备方法和在膜中的应用方法。该离子液体是新的离子液体，同时具备甲基，腈基和氨基，该咪唑类离子液体通过采取三元取代，通过2-甲基咪唑和烯腈的摩尔比以及1-腈基-2-甲基咪唑与2-溴乙胺氢溴酸盐或3-溴丙胺氢溴酸盐的摩尔比的调配，创新性地同时引入了腈基和氨基两种功能化基团。并且通过实验选择了较优的参数比例和反应时间，得到了较好的离子液体产品。最后将该离子液体在掺入阴离子交换膜，为阴离子交换膜提供了大量的离子传递位点，能够改进膜的离子传导性能。同时通过阴离子交换膜制备方法的改进，也可以提高阴离子交换膜的机械强度和燃料阻透性。

本发明的技术方案为：

一种咪唑类离子液体，该离子液体的结构式如下：

其中，m为1，2，3或4；n为2或3。

所述的咪唑类离子液体的制备方法，包括如下步骤：

(1)在氮气气体的保护下，将2-甲基咪唑和碳酸钾溶解于无水甲醇中，再加入腈类化合物，在50～60℃下回流搅拌反应8～12小时，得到如下结构式的1-腈基-2-甲基咪唑；

其中，摩尔比为2-甲基咪唑：烯腈＝1：1～1.5；摩尔比为碳酸钾：2-甲基咪唑＝1：1.5～2；每摩尔2-甲基咪唑加100～150毫升甲醇；