[发明专利]一种聚醚醚酮/阳离子型金属有机框架交联膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池用聚醚醚酮/阳离子型金属有机框架交联膜，咪唑功能化聚醚醚酮与阳离子型D‑UiO‑66‑NH₂质量比为1:0.005~0.02。制备的咪唑功能化聚醚醚酮所用咪唑单体含有双键，可以使膜通过交联抑制膜的过度溶胀，所制备的阳离子型D‑UiO‑66‑NH₂上的阳离子基团可以帮助构建离子传输通道，进一步提高离子传导率，实验结果表明，本发明的阴离子交换膜在80℃下离子传导率为0.026‑0.073 S cm^‑1，该阴离子交换膜的厚度为16‑31μm。

技术领域

本发明属于高分子化学和碱性燃料电池领域，具体涉及一种聚醚醚酮/阳离子型金属有机框架交联膜及其制备方法。

背景技术

燃料电池是将化学能转化为电能的电化学装置。燃料电池可分为质子交换膜燃料电池(PEMFCs)和阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs)。商业PEMs(如Nafion)以高离子导电性和优异的物理化学性能(尺寸稳定性和机械性能)而闻名。然而，昂贵的催化剂、高燃料渗透性和Nafion的制造成本已成为PEMFC大规模推广的障碍。AEMFCs因其改善了氧还原动力学、减少了碱性介质中的腐蚀氧化以及使用非贵金属催化剂等诸多优点而逐渐成为研究人员关注的焦点。作为AEMFC的核心部件；阴离子交换膜（AEMs）的重要作用是阻隔阳极和阳极之间的燃料和氧化剂，并同时通过膜运输OH^-离子；

目前对于AEMs来说，主要的研究方向依旧是针对膜的离子传导率、尺寸稳定性和耐碱稳定性等方面展开。聚醚醚酮（PEEK）具有优异的热稳定性、良好的机械性能和化学稳定性等，是AEMs中比较常用的聚合物；咪唑基团中N杂环结构中存在共轭π键，使得咪唑接枝的膜具有高离子电导率，而且在碱性环境中的化学稳定性也优于其他阳离子基团，同时咪唑也拥有良好的热稳定性，但是阳离子基团均具有亲水性，过多引入会直接影响膜的尺寸稳定性。我们选用1-乙烯基咪唑作为功能基团，该分子上不仅含有咪唑阳离子同时又含有双键结构，可以通过双键交联达到抑制膜溶胀的效果。金属有机框架(Metal-organicframeworks, MOFs)作为多孔晶体材料，具有较高的机械稳定性和热稳定性、可设计的孔径和较大的比表面积。为了进一步提高膜的离子传导率，我们往膜中引入阳离子型MOFs，该MOF能够作为阳离子基团帮助传输OH^-，可以有效的弥补交联对离子传导率的影响。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种聚醚醚酮/阳离子型金属有机框架交联膜及其制备方法，旨在保持膜良好稳定性的同时提高离子电导率。本发明通过往聚醚醚酮聚合物中掺杂阳离子型MOFs，可以使该交联膜保持良好的尺寸稳定性以及高的离子电导率。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明提供一种聚醚醚酮/阳离子型金属有机框架交联膜制备方法，该交联膜由咪唑功能化的聚醚醚酮和阳离子型MOF（D-UiO-66-NH₂）组成，其中阳离子型MOF的添加含量为聚合物质量的0.5%-2%。

本发明首先提供一种聚醚醚酮/阳离子型金属有机框架交联膜的制备方法，其中包括以下步骤：

A、将咪唑功能化的聚醚醚酮配置为咪唑功能化的聚醚醚酮溶液；

B、将阳离子型MOF（D-UiO-66-NH₂）加入到步骤A所得溶液中，制备铸膜液；

C、将步骤B所得铸膜液铺膜得到燃料电池用交联型聚醚醚酮/阳离子型金属有机框架交联膜；

上述方案中步骤A所述咪唑功能化的聚醚醚酮溶液的配置方法为：

将咪唑功能化的聚醚醚酮加入NMP溶剂中，室温下搅拌数小时得到咪唑功能化的聚醚醚酮溶液，其中NMP代表N-甲基-2-吡咯烷酮，溶液的质量体积浓度为0.05 g/mL；

上述方案中步骤B所得铸膜液的制备方法为：