[发明专利]一种有序化碱性阴离子交换膜及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种碱性阴离子交换膜的制备方法，该方法通过将阴离子交换树脂前驱体和官能化试剂分别溶解在油相和水相中，利用树脂前驱体和官能化试剂在两相界面处发生官能化反应，并原位自组装成膜。该方法克服了传统均相溶液官能化反应时产生的凝胶问题，且制备的碱性阴离子交换膜有序化程度高，具有多级孔分布，厚度可控；而且该膜表现出较高的离子电导率和良好的水传输特性，将其用于碱性阴离子交换膜燃料电池表现出良好的性能。

技术领域

本发明属燃料电池技术领域，尤其涉及到一种有序化碱性阴离子交换膜及其制备方法与应用。

背景技术

燃料电池是一种将燃料化学能直接转化为电能的清洁能源技术。近年来，由于能源短缺和环境恶化的双重压力，燃料电池技术受到各国政府和企业的广泛关注而得到迅速发展，技术瓶颈不断被突破，目前，已经处于商业化导入的关键期，但成本问题依然阻碍其大规模应用。碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)由于可使用非贵金属催化剂，能够大幅度降低其成本而成为燃料电池领域又一个新的热点，但其性能与目前的质子交换膜燃料电池仍然具有一定差距。碱性阴离子交换膜(AAEM)作为AAEMFC的关键材料，其性能的优劣直接决定着电池输出性能的高低，因此开发高性能的AAEM材料对提升AAEMFC性能至关重要。

在燃料电池的研究中，有序化是近年来的一个热点，其主要思想为：在膜电极中构建有序孔道结构，进而促进物质在电极中的传递，降低传质极化，提升电池性能。贾等人在文章Journal of Materials Chemistry A,2017,5,14794中通过将膜电极阴极催化层做成有序化阵列，优化了催化层中的水、气传递，进而降低了电池的传质极化，使得这种有序化电极的电池输出性能远高于传统的气体扩散电极。作为AAEMFC的关键材料AAEM，其不仅起到隔绝阴阳极反应气体互串，更是担负着水和离子的传递。潘等人在文章EnergyEnvironmental Science,2014,7,354中报道在AAEM中通过微观相分离构建有效的水传输通道有利于水和离子的传输，进而提升膜和电池的性能。AAEM由于其制膜方法等原因，其膜内水通道的贯穿性一般较差；即使通过官能团调控，构建亲疏水相分离而得到贯通的水通道。但是，这种通道一般是杂乱无章的，其曲折度较高，严重阻碍了水和离子的传输，因此，开发有序化的碱性阴离子交换膜是十分必要的。

分子自组装技术能够利用分子间范德华力、氢键、共价键、离子键、配位键以及静电力等分子间相互作用为驱动力，使分子组装成有序的装备体，这种有序装备体往往具有许多特殊的性质。

发明内容

本发明将碱性阴离子树脂前驱体与官能化试剂分散于互补相容的两相，并利用加热或超声等方式诱导，使得前驱体与官能化试剂在两相界面处反应，而且由于反应后的聚合物在两相中均不能溶解。因而，反应后的聚合物树脂在两相界面处进行分子自组装并析出，形成厚度可控的有序化碱性阴离子交换膜。这种膜由于其有序的孔道结构，大大降低了水和离子在其中传递的曲折度，减小了电池传质极化损失，能够显著提升AAEMFC的输出性能。

本发明的目的在于提供一种有序化碱性阴离子交换膜的制备方法。本发明的技术方案如下：

本发明一方面提供一种有序化碱性阴离子交换膜的制备方法，所述方法主要是通过将阴离子交换树脂前驱体和官能化试剂分别溶解于互不相溶的溶剂A和溶剂B中，使树脂前驱体和官能化试剂在互不相容的溶剂A和溶剂B界面处发生官能化反应，且官能化后的树脂在界面处进行原位的自组装，进而得到有序化的阴离子交换膜；所述阴离子交换树脂前驱体为氯甲基化的高分子树脂。

基于以上技术方案，优选的，所述方法具体包括如下步骤：

(1)将高分子树脂溶解于有机溶剂中，配成1-10％的高分子树脂溶液，依次加入催化剂无水四氯化锡和氯甲基化试剂，在20-80℃条件下，反应3-24小时，经过滤，沉淀，洗涤，干燥后得到氯甲基化的阴离子树脂前驱体。