[发明专利]一种含Cardo结构靛红芳烃共聚物、制备方法及应用

说明书

本发明属于高分子材料及其聚合物离子交换膜制备领域，涉及一种含Cardo结构靛红芳烃共聚物、制备方法及应用。本发明通过超酸催化的羟烷基化缩聚反应，将靛红、9,9‑二取代芴和芳烃进行多元共聚反应，合成带Cardo结构和铵阳离子的靛红‑芳烃共聚物，方便制得电解质溶液及韧性的阴离子交换膜，聚合反应简单易行。聚合物引入大体积的Cardo结构，可减小其在催化剂表面吸附，提高燃料电池性能；引入靛红结构可进行交联或功能化，进一步提高化学稳定性和机械性能。该共聚物电解质溶液及离子交换膜离子传导率高，耐碱/耐氧化性及机械性能优异，在燃料电池、储能电池、电解及其它电化学器件或膜分离相关领域应用广泛。

技术领域

本发明属于高分子材料及其聚合物离子交换膜制备领域，涉及一种含Cardo结构靛红芳烃共聚物、制备方法及应用。

背景技术

聚合物离子交换膜燃料电池作为清洁的氢能源技术，具有室温启动、能量效率高、零污染等优点在交通运输、航空航天、舰船以及军事科技领域具有广泛应用。目前，质子交换膜燃料电池(PEMFC)运行时需要贵金属铂催化剂，使用价格昂贵的全氟聚合物离子膜如美国杜邦公司的Nafion离子膜，因此PEMFC成本较高，使其推广应用受到限制。碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)，在碱性条件下运行，可以使用非贵金属催化剂如镍、钴、银等，避免使用资源有限的贵金属铂催化剂，同时具有高效氧还原动力学，因此，AEMFC技术成本较低、电池性能较高，近年来受到较大关注。

目前，在AEMFC中存在的瓶颈问题之一，是碱性环境中聚合物离子膜的机械性能及化学稳定性较差，以及膜电极中电解质对催化剂的吸附使燃料电池性能下降，因此开发能满足实际应用的碱性离子膜材料及聚合物电解质溶液十分必要。Bae等设计合成主链不含醚键的聚芴电解质溶液，降低了苯基与氧化还原催化剂的相互作用，采用该聚合物电解质溶液的AMFC在氢氧燃料电池的峰值功率密度达到1.46W cm^-2，与Nafion组装的PEMFCs的电池性能接近[Maurya S,Noh S,Bae C,et al.Energy&Environmental Science,2018,11(11):3283-3291]。Ren等合成主链不含醚键带哌啶阳离子柔性侧链的聚芴阴离子交换膜，80℃氢氧根离子的传导率达到86mS cm^-1，在80℃的1M NaOH溶液中1200h几乎无降解，此外60℃时峰值功率密度达到410mW cm^-2[Ren R,Miller H A,He Q et al.ACS AppliedEnergy Materials,2019,2(7)：4576-4581]。

发明内容

针对目前碱性燃料电池中聚合物离子膜存在机械性能及化学稳定性较差、电池性能不高的关键问题，本发明提供了一种具有机械性能好、耐碱稳定性高的一种含Cardo结构靛红芳烃共聚物、其电解质溶液及其离子交换膜、制备方法及应用。本发明在共聚物中引入大体积9,9-二取代芴结构，有利于改善溶解性以及减小膜电极中催化剂与离子膜及电解液(Ionomer)与催化剂的界面吸附，改善电池性能；聚合物中引入靛红结构单元，方便聚合物进行交联及功能化，进一步提高碱性聚合物离子膜、电解质溶液(Ionomer)的机械性能和化学稳定性，在燃料电池、储能电池、电解水制氢气、膜分离及其它电化学器件等领域应用广泛。

本发明是采用以下技术方案实现的：

一种含Cardo结构靛红芳烃共聚物，结构如通式Ⅰ所示：

其中，0≤n＜1。

R为H、C₁～C₁₀的烷基、烯烃、苯乙烯苄基、环氧基、丙烯酸酯、1,6-二溴代烷或-(CH₂)n₁-G；其中，G是三甲胺、N-甲基哌啶、N-甲基吡咯、N-甲基吗啉或四甲基胍烷基化的铵离子；n₁＝1～10。