[发明专利]一种含有柔性链段的基于哌啶酮与芳烃聚合的阴离子交换膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种含有柔性链段的基于哌啶酮与芳烃聚合的阴离子交换膜及其制备方法和应用，属于碱性水电解槽技术领域，本发明提出一种基于氮哌啶酮与芳烃聚合物，其主链分子量高，用碱稳定的哌啶阳离子，并结合了刚性和柔性芳基共聚组成，制得具有可调亲水/疏水比例的高分子量聚合物，同时保留哌啶阳离子的高碱性。所得的阴离子交换膜具有较高的氢氧根电导率、适度的吸水溶胀性、优异的成膜性、化学稳定性好和良好的机械性能。

技术领域

本发明属于碱性水电解槽技术领域，涉及一种多孔聚合物离子交换膜材料，特别涉及一种含有柔性链段的基于哌啶酮与芳烃聚合的阴离子交换膜及其制备方法和应用。

背景技术

能源作为人类现代活动的物质基础，与我们的社会发展和国家战略规划密不可分。能源的来源问题和其结构分布是直接影响社会生产的运行和发展的重要因素。随着目前全球人口基数迅速扩大，我们正处于一个对能源需求日益上涨的时代，不可再生的传统化石能源已经无法满足人类各项社会生活活动的需要，人们对于新型可再生能源的寻求变得日益迫切。由于氢氧碱性燃料电池唯一的副产物是水，因此被认为是清洁高效的能源技术之一。作为碱性燃料电池的核心部件之一，碱性阴离子交换膜起到了阻隔燃料和氧化剂，传输氢氧根离子的作用，但是目前碱性阴离子交换膜离子传导率和碱稳定性间存在突出矛盾。

阴离子交换膜作为阴离子交换膜燃料电池的重要部件之一，起到阻隔燃料和氧化剂以及选择性的传递氢氧根离子的作用。阴离子交换膜通常是由聚合物主链和荷正电的离子传导基团组成，聚合物主链和离子传导基团由或长或短的侧链相连。氢氧根离子传导率不但取决于聚合物主链和离子传导基团，还取决于离子传导基团在膜中分布的形貌(Energy Environ Sci,2014,7(10):3135-3191)。离子传导基团在膜中聚集团簇，与周围的水分子之间产生氢键作用，有助于形成有效的亲水/疏水微相分离结构，是形成氢氧根离子高速传导通道的前提条件(Journal of Membrane Science,2017,522(2)67-91.)。目前有多种方法可以促进亲水/疏水微相分离结构的有效形成：比如通过长侧链的引入，使得侧链的移动性增加，从而使得亲水区域不断地聚集，便于有效的形成亲水/疏水微相分离结构。或者，将侧链设计成具有多个离子传导基团的结构，通过提高离子传导基团的密度，使得亲水区域聚集成簇，也有助于形成有效的亲水/疏水微相分离结构。再者，构造亲水/疏水嵌段结构，所引入的亲水主链起到了帮助扩大亲水区域的作用，也有助于微相分离结构的形成。这里通过控制聚合物阴离子膜的柔性链与刚性链的比例，来实现亲水/疏水微相分离结构的形成。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种较高的氢氧根电导率、适度的吸水溶胀性、优异的成膜性、化学稳定性好和良好的机械性能的含有柔性链段的基于哌啶酮与芳烃聚合的阴离子交换膜及其制备方法和应用。

本发明的设计构思为：本发明提出一种基于氮哌啶酮与芳烃聚合物，其主链分子量高，用碱稳定的哌啶阳离子，并结合了刚性和柔性芳基共聚组成，制得具有可调亲水/疏水比例的高分子量聚合物，同时保留哌啶阳离子的高碱性。所得的聚合物同时具有优异的化学稳定性、成膜性，电导率和机械强度。

本发明通过以下技术方案予以实现。

一种含有柔性链段的基于哌啶酮与芳烃聚合的阴离子交换膜，包含下述重复结构单元的共聚物：

式中，Ar是含有芳香环的二价有机基团；1、2分别代表了柔性芳烃单体和刚性芳烃单体；R₁和R₂代表相同或不同的取代基；X^—代表Br^—、I^—、Cl^—、OH^—、HCO₃^—或者CO₃^2-；n代表聚合度，n为10～200的正整数，重均分子量在5000～800000之间；m为共聚物中含柔性链部分所占摩尔百分比，m为0～100的任意数字。