[发明专利]星形拓扑结构聚烯烃阴离子交换膜、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种星形拓扑结构聚烯烃阴离子交换膜、制备方法及应用，属于碱性阴离子交换膜技术领域。通过阴离子聚合的方式合成了具有良好溶解性和稳定性的星形拓扑结构聚烯烃嵌段主链膜材料，通过催化加氢，以及溴代试剂对苄基位点进行溴代，通过门舒金反应接枝离子传导基团，获得星形拓扑结构聚烯烃膜材料并制膜。所制备的膜具有较好的碱稳定性和较高的离子传导率，可应用于碱性燃料电池中。

技术领域

本发明属于碱性阴离子交换膜技术领域，涉及到一种星形拓扑结构聚烯烃阴离子交换膜、制备方法及应用。

背景技术

随着全球环境与能源问题的日益严峻，燃料电池作为一种新型发电装置，因其燃料来源广泛、高效率、低甚至零排放等优势受到了人们的广泛关注。(中国专利，CN106410246A；CN 109485885A；)碱性阴离子交换膜燃料电池是燃料电池中的一种，相比于目前研究比较成熟的质子交换膜燃料电池，它有着氧化速度快、燃料渗透速度低、有利于水平衡、成本相对低等优势。(Varcoe,J.R.；Atanassov,P.；Dekel,D.R.；.Herring,A.M.；Hickner,M.A.；Kohl,P.A.；Kucernak,A.R.；Mustain,W.E.；Nijmeijer,K.；Scott,K.；Xu,T.W.；Zhuang,L.Energy Environ.Sci.,2014,7,3135–3191.)成本低的优势源自于碱性阴离子交换膜燃料电池可以使用非贵金属作为催化剂，这也是其最为主要的优势之一。

碱性阴离子交换膜是碱性阴离子交换膜燃料电池的核心部件，起到选择性传递氢氧根离子并且分隔两极室的作用。这样的功能就要求碱性阴离子交换膜既有良好的传递氢氧根离子的能力，又能在碱性环境中保持性能的稳定。(Wu,L.；Zhou,G.F.；Liu,X.；Zhang,Z.H.；Li,C.R.；Xu,T.W.J.Membr.Sci.,2011,371,155–162.)目前膜材料常用聚砜、聚醚醚酮、聚苯醚等聚合物作为主链，通常采用修饰接枝的方法，接入离子传导基团，制备目标聚合物阴离子交换膜。(中国专利，CN 106543459A；CN 106432744A；)然而，由于其为后修饰接枝改性，离子传导基团的分布不可控，制约了膜中离子传导通道的形成，限制了其离子传导率；(中国专利，CN 106268381A；)此外，由于聚合物主链中的杂原子结构，使得大部分膜材料的主链在碱性环境中会被氢氧根进攻，膜材料发生降解，严重影响其使用寿命。ChulsungBae等人通过活性聚合反应，成功合成聚苯乙烯-b-聚(乙烯-co-丁二烯)-b-聚苯乙烯“结晶-非结晶”三嵌段聚烯烃共聚物，分别在60℃和80℃，1M NaOH溶液中浸泡四周，该膜材料仍然具有良好的化学稳定性，在燃料电池寿命测试，60℃，110h后，聚合物主链结构和离子基团仍然具有稳定性。(Angela D.Mohanty,Chang Y.Ryu,Yu Seung Kim.et.al；Macromolecules 2015,48,7085-7095.)因此，寻找具有良好离子传导率和优越化学稳定性的膜材料，并且通过简单的反应引入功能基团的聚合物，是目前关注膜材料研究领域的热点。

发明内容

本发明旨在提供了一种星形拓扑结构聚烯烃阴离子交换膜的制备方法，以期实现提高碱性阴离子交换膜的耐碱稳定性和氢氧根传递性能的目标。通过阴离子聚合的方式合成了具有良好溶解性和稳定性的星形拓扑结构聚烯烃嵌段主链膜材料，通催化过加氢以及溴代试剂对苄基位点进行溴代，然后加入交联剂进行交联，并引入离子传导功能基团获得星形拓扑结构聚烯烃膜材料并制膜。所制备的膜具有较好的碱稳定性和较高的离子传导率，可应用于碱性燃料电池中。

本发明的技术方案：

一种星形拓扑结构聚烯烃阴离子交换膜的制备方法，步骤如下：