[发明专利]一种咪唑基多孔有机聚合物、其制备方法及在燃料电池质子传导材料中的应用

说明书

本发明提供一种咪唑基多孔有机聚合物、其制备方法及在燃料电池质子传导材料中的应用。本发明利用芘‑4,5,9,10‑四酮，醋酸铵和均三苯甲醛为原料合成了一种具有高结晶性、高比表面积、多孔、高结构稳定性的咪唑基POPs；对这种含有高密度的咪唑和芘基团的POPs分别进行磺化修饰、负载磷酸以及磺化修饰后再负载磷酸后得到了一系列功能化的咪唑基POPs材料。本发明POPs材料在广泛的温度和湿度条件下均展现出良好的质子传导能力，且具有很高的使用稳定性。

技术领域

本发明涉及一种咪唑基多孔有机聚合物、其制备方法及在燃料电池质子传导材料中的应用，属于有机功能材料中新型能源材料燃料电池质子交换膜材料领域。

背景技术

在低碳化的未来社会生活中，因为质子交换膜燃料电池具有转化效率高、环境友好等特点，有望成为现有传统的基于化石燃料动力技术的强有力的替代方案。质子交换膜作为燃料电池的核心技术之一，其质子传导性能直接影响整个燃料电池的最终性能表现。目前质子交换膜技术领域中已经商品化的材料是一种叫做Nafion的全氟磺酸基电解质聚合物；然而，其合成步骤繁琐、使用温度和湿度环境有限以及造价昂贵等严重制约了该材料的应用推广。

近年来，多孔有机聚合物(POPs)由于易于合成并且往往表现出优异的物理化学性能，其制备和应用开发受到人们的广泛关注；然而其在燃料电池质子交换膜方面的应用还受到结构稳定性以及质子传导性能的限制。如，中国专利文献CN111129557A公开了一种磷酸改性聚苯并咪唑质子交换膜及其制备方法，磷酸改性聚苯并咪唑质子交换膜的制备方法包括以下步骤：S1、将聚苯并咪唑溶解于有机溶剂中进行纯化处理，得到聚苯并咪唑溶液；S2、将所述聚苯并咪唑溶液在平板上涂布成膜，干燥；S3、在磷酸蒸汽氛围中进行酸性改性；S4、真空下高温固化，获得磷酸改性聚苯并咪唑质子交换膜。但该发明的制备方法较为繁琐，且所得的质子交换膜质子传导性欠佳，结构稳定性未涉及。又如，中国专利文献CN109786796A公开了一种高温质子交换膜及其制备方法；通过聚苯并咪唑与交联剂反应，形成交联PBI膜；再将所述交联PBI膜与季铵化物质进行季铵化反应，得到高温质子交换膜。该发明采用特定的季铵化物质(叔胺和/或咪唑衍生物)对其进行季铵化反应，引入特定季铵基团，形成季铵交联膜可以提高交联膜的机械性能，还能提高交联膜的质子传导率和磷酸保持率；但作为质子交换膜使用时，仍存在质子传导性欠佳的问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种咪唑基多孔有机聚合物、其制备方法及在燃料电池质子传导材料中的应用。本发明利用芘-4,5，9，10-四酮，醋酸铵和均三苯甲醛为原料合成了一种具有高结晶性、高比表面积、多孔、高结构稳定性的咪唑基POPs；对这种含有高密度的咪唑和芘基团的POPs分别进行磺化修饰、负载磷酸以及磺化修饰后再负载磷酸后得到了一系列功能化的咪唑基POPs材料。本发明POPs材料在广泛的温度和湿度条件下均展现出良好的质子传导能力，且具有很高的使用稳定性。

本发明的技术方案如下：

一种咪唑基多孔有机聚合物，所述有机聚合物为咪唑基POPs(简称PyTFB-1)、磺化修饰的咪唑基POPs(简称PyTFB-1-SO₃H)、负载质子载体的咪唑基POPs或负载质子载体-磺化修饰的咪唑基POPs；

所述咪唑基POPs或磺化修饰的咪唑基POPs是具有如下式(I)所示结构单元的二维多孔聚合物；