[发明专利]一种聚合物及其制备方法和在质子交换膜燃料电极催化层中的用途

说明书

本发明提供一种聚合物及其制备方法和在质子交换膜燃料电池中电极催化层的用途，所述聚合物为主链上至少一部分羰基被还原为羟基的磺化聚醚醚酮，其结构式如下：其中m≥0，n≥0，0.5≤m+n＜1。本发明中聚合物能够溶于低沸点溶剂，解决了芳烃类聚合物仅能溶于高沸点极性有机溶剂，导致在膜电极制备过程中催化层结构致密，水、气传质受阻，存在难以构建有效的三相反应界面的问题；在膜电极热压过程中，聚合物原位交联后形成交联结构的立体化树脂，在不破坏催化层结构的前提下解决了水溶性立体化树脂在电池使用过程中渗漏而难以应用的难题，同时提高了膜电极的化学稳定性。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别是涉及一种可以作为质子交换膜燃料电池电极催化层立体化树脂材料的聚合物及其制备方法。

背景技术

近年来，质子交换膜燃料电池中新型成本低廉的非氟磺化聚芳烃质子交换膜，如磺化聚醚醚酮、磺化聚芳醚砜、磺化聚酰亚胺、磺化聚苯并咪唑等已经取得了长足的进展，但是单一质子交换膜性能优异并不能表示其在燃料电池应用中就能表现出良好的性能。膜在燃料电池的应用中需要立体化树脂与其协同配合，以构建有效的催化层三相反应界面。

在质子交换膜燃料电池中阳离子立体化树脂需要满足以下几方面要求：具有较高的质子电导率，低溶胀度，与质子交换膜有良好的界面相容性，同时能够在低沸点溶剂中溶解。目前商业可用的阳离子立体化树脂是全氟磺酸树脂，如Chemours公司的Nafion树脂等，这类树脂具有较高的质子电导率，优异的化学稳定性，在水醇类低沸点溶剂中可溶等优点，然而由于该立体化树脂与芳烃类质子交换膜的分子结构差异大，在膜电极长期使用过程中存在催化层与膜界面相容性差的问题(Journal of Power Sources,2006,163,56-59)。目前针对聚芳烃类立体化树脂的研究严重匮乏，主要集中于通过调整立体化树脂分散溶剂种类，优化树脂固含量、离子交换膜容量等参数提高催化层三相反应界面(Chemistry ofMaterials,2014，26,381-393)。直接用芳烃类聚合物作为立体化树脂与芳烃类质子交换膜匹配时，由于聚芳烃溶解性差，仅能溶于高沸点极性有机溶剂，导致在膜电极制备过程中催化层结构致密，水、气传质受阻，存在难以构建有效的三相反应界面的问题(Electrochimica Acta,2009，54,3446-3452)。同时芳烃类聚合物稳定性差，严重影响膜电极的使用寿命。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种聚合物及其制备方法和用途，其可作为质子交换膜燃料电池催化层立体化树脂，并且其能够溶于低沸点溶剂，在膜电极热压过程中实现原位交联，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过以下技术方案获得的。

本发明第一方面提供一种聚合物，所述聚合物为主链上至少一部分羰基被还原为羟基的磺化聚醚醚酮，其结构式如下：

其中，m≥0，n≥0，0.5≤m+n＜1。

优选地，所述聚合物的磺化度为40％～80％。

本发明第二方面提供一种上述所述聚合物的制备方法，包括如下步骤：

先将磺化聚醚醚酮转换成其盐，然后将羰基还原为羟基获得羟基化磺化聚醚醚酮。

优选地，所述磺化聚醚醚酮的数均分子量为1～50kDa。

优选地，所述磺化聚醚醚酮的磺化度为40％～80％。

优选地，采用硼氢化钠将羰基还原为羟基。

优选地，还原反应的溶剂为选自二甲基亚砜、N,N-二甲基乙酰胺和N,N-二甲基甲酰胺中的一种或多种。

优选地，还原反应的反应温度为100℃～130℃；

优选地，还原反应时间为4h～12h。