[发明专利]一种杂环铵离子聚苯并咪唑及阴离子交换膜其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种杂环铵离子聚苯并咪唑及阴离子交换膜其制备方法和应用，属于高分子电解质及离子交换膜技术领域。首先合成卤代螺环铵盐，接着通过接枝反应将卤代螺环铵引入聚苯并咪唑分子链上，合成杂环铵离子聚苯并咪唑，经过碱离子交换，制备杂环铵离子聚苯并咪唑阴离子交换膜。按照本发明方法制备的杂环铵离子聚苯并咪唑及其阴离子交换膜，聚合物成膜性好，离子传导率高，机械性能和耐碱稳定性显著提高，尺寸稳定性佳，在燃料电池、液流电池、电解及电渗析、海水淡化等离子交换膜相关领域有广泛应用。

技术领域

本发明涉及一种杂环铵离子聚苯并咪唑及阴离子交换膜其制备方法和应用，属于高分子电解质及离子交换膜技术领域。

背景技术

近年来，能源危机、资源枯竭引发了各行业及民生对清洁能源的迫切需求，世界各国加倍重视清洁能源的开发。燃料电池因其绿色环保、能量转化率高等一系列优点得到越来越多的科研人员的关注，同时燃料电池也取得了一系列长足的进步。碱性阴离子交换膜燃料电池作为燃料电池的一种，有无需贵金属作催化剂、水管理简单等优点，同时也面临离子传导率不高、耐碱稳定性不好的挑战，这也是本发明着力提高的地方。

聚苯并咪唑作为一种优异的特种工程塑料，表现出优异的机械稳定性、耐热性及耐碱性，吸引了越来越多科研人员的关注，在燃料电池、储能电池用离子膜等领域应用受到关注。目前，聚苯并咪唑多用于高温质子膜，专利[Wang Lei等，专利公开号：CN 106684415A]公开了一种PBI掺杂磷酸的高温质子膜的制备，专利[路金波等，专利公开号：CN107887626 A]公开了一种交联复合型高温质子膜及其制备方法，专利[焉晓明等，专利公开号：CN 107674417 A]公开了一种非离子型亲水侧链聚苯并咪唑及其制备方法。然而，将聚苯并咪唑用于碱性阴离子交换膜的公开文献较少，专利[朱秀玲等，专利公开号：CN108623806 A]公开了一种带侧胺基的聚苯咪唑及其阴离子交换膜及制备方法。

发明内容

针对目前碱性阴离子树脂及其离子交换膜存在离子传导率不高、耐碱稳定性不好的问题，本发明提供了一种具有机械性能好、耐碱性高和尺寸稳定性好的杂环铵离子聚苯并咪唑及其阴离子交换膜及其制备方法。

本发明是采用以下技术方案实现的：

一种杂环铵离子聚苯并咪唑，具有以下结构：

其中，n＝0～0.8；

Z是Cl^-,Br^-,或OH^-离子，优选是OH^-离子；

A为单键、亚甲基-CH₂-，醚键-O-或羰基-CO-，优选A为单键或亚甲基-CH₂-；

X取以下结构：其中2≤n’≤18，优选X为2≤n’≤8；

Y具有以下结构：

优选Y是(a),(c),(e)和(f)；

本发明提供上述杂环铵离子聚苯并咪唑的制备方法，包含以下步骤：

步骤1，聚苯并咪唑的合成

所述聚苯并咪唑是由四胺单体(Ⅱ)和二酸单体(Ⅲ)通过溶液缩聚反应合成。

所述四胺单体(Ⅱ)的结构如下：

其中，A为单键或亚甲基-CH₂-；

所述二酸单体(Ⅲ)的结构如下：

HOOC-X-COOH和HOOC-Y-COOH