[发明专利]二维阴离子交换聚合物的制备方法、制得的聚合物及其应用

说明书

本发明公开二维阴离子交换聚合物及其膜的一种制备方法，涉及高分子化学和燃料电池阴离子交换膜技术领域，本发明包括以下步骤：(1)设计合成适合二维自组装聚合的季铵单体；(2)将季铵盐单体在极性溶剂的水溶液中自组装，获得二维超分子聚集体溶液；(3)向二维超分子聚集体溶液加入自由基引发剂，经充氮气除氧后进行自由基聚合反应，从而得到二维聚合物；(4)将二维聚合物通过溶液浇铸法，获得二维阴离子交换聚合物膜。本发明还提供采用上述方法制得的阴离子交换聚合物膜。本发明的有益效果在于：形成的二维高分子片层表面含有大量季铵亲水基团，易形成离子通道，利于阴离子在膜内的高效传导。

技术领域

本发明涉及高分子化学和燃料电池阴离子交换膜技术领域，具体涉及二维阴离子交换聚合物的制备方法、制得的聚合物及其应用。

背景技术

自从2004年单原子层的石墨材料——石墨烯的研究取得突破性进展以来，二维材料在学术界和企业界受到了越来越多的关注。二维材料是指具有单原子层或几个原子厚度的层状结构材料，由于突出的物理和化学性能，在能源存储、催化、传感和生物医学等诸多领域具有广阔应用前景。

对于二维有机聚合物，通常被定义是一种由共价键在二维方向上连接形成的、具有原子或分子厚度的层状大分子。近年来的研究工作表明，与一维和三维聚合物相比，二维聚合物具有更为独特的和优异的性能。然而，用于制备一维聚合物和三维聚合物的传统方法并不适用于二维聚合物的合成，这极大的限制了二维聚合物的研究和应用。因此，发展二维聚合物的合成方法对于推动二维聚合物的发展具有重要的现实意义。

利用洁净绿色能源替代化石能源是消除环境污染、推动人类社会可持续发展的重要举措。燃料电池被认为是一种清洁、高效的新能源，因此，各国都在大力进行开发研究。碱性燃料电池由于具有渗透率低、不需要使用贵金属催化剂等优点，利于降低成本低，更具有实际推广应用的前景。阴离子交换聚合物膜是碱性燃料电池的核心组件，它的性能直接影响碱性燃料电池的工作效率。

根据文献调研，到目前为止，碱性燃料电池中所用阴离子交换膜都是基于具有线形结构的一维聚合物或无规交联成网状结构的三维聚合物，还未见有二维阴离子交换聚合物的相关报道。制约二维聚合物阴离子交换聚合物膜的发展主要原因是缺乏有效的合成方法，因为一维和三维聚合物的合成方法都不适用于二维聚合物的制备。本发明人提出，将两亲性单体在溶液中的二维自组装与自由基聚合原理相结合，发展一种便捷、高效、经济的二维有机聚合物合成方法，用于二维阴离子交换聚合物的合成及其膜的制备。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本方法的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供二维阴离子交换聚合物及其膜的一种制备方法。首先设计合成适用于二维自组装的两亲性季铵盐单体，通过“二维组装聚合”策略，借助分子间非共价作用让单体在溶液中进行组装形成二维超分子聚集体，再经过自由基聚合反应形成二维季铵聚合物。由于形成的二维高分子片层表面含有大量的季铵基团，易形成离子通道，十分有利于阴离子在膜内的高效传导。

本发明通过以下技术手段实现解决上述的技术问题：

二维阴离子交换聚合物的制备方法，包括以下步骤：

(1)单体自组装：将双官能团季铵单体A和单官能团季铵单体B溶于极性有机溶剂或水溶液中，在室温静置条件下，使季铵单体进行自组装，获得二维超分子聚集体；

(2)聚合反应：将自由基引发剂加入二维超分子聚集体溶液中，经过充氮气除氧气后，在适当的温度下进行聚合反应，待反应结束后，停止聚合反应，经透析纯化、干燥后，得到二维阴离子交换聚合物；

所述双官能团季铵单体A的结构通式为：

其中：