[发明专利]一种共轭型支化阴离子交换膜、制备方法及应用

说明书

本申请涉及碱性水电解槽技术领域，具体公开了一种共轭型支化阴离子交换膜的制备方法及应用，通过将改变单体、溶剂、催化剂种类与配比，制备了一系列共轭型支化阴离子型聚合物，并以其作为阴离子交换膜核心成分用于碱性电解槽。本申请合成策略简便有效，制备成本低，性能优良，同时普适性强，便于工业化生产，具有较大的应用潜力。

技术领域

本发明属于碱性水电解槽技术领域，特别涉及一种共轭型支化阴离子交换膜、制备方法及应用。

背景技术

发展绿色氢能对于优化当前能源结构和实现人类可持续增长至关重要。与可再生能源相结合的电解水制氢技术将是制备绿色氢能的主要方式，也必将占据未来绝大部分的氢能源制备市场。碱水制氢电解槽制造过程中不使用贵金属资源，成本低，同时还具有工作寿命长的优势，这使得碱水电解制氢成为现阶段电解水制氢市场最主要的技术路线。作为碱性电解水装置中的关键组分——隔膜在电解槽中起到隔绝氢氧、传递离子的作用。理想的隔膜应具有高的气密性、高的电导率以及优异的尺寸稳定性和耐碱性。现阶段市场上的隔膜以比利时Agfa公司开发的Zirfon系列膜与东丽的PPS布为主。但这两种膜本身具有很高面电阻，使得电解水制氢能耗过高，由此造成制氢成本居高不下的问题限制了碱性电解水技术的进一步推广。

阴离子交换膜电解槽(AEMWE)是一种新兴的电解水技术。其中，所使用的阴离子交换膜(AEM)是一类含有碱性活性基团、对阴离子具有选择透过性的高分子聚合物膜。致密的均质膜可有效防止两极氢氧的互窜，同时优异的离子传导性能赋予了AEMWE较高的电流密度。例如，基于聚芳基哌啶类AEM构筑的AEMWE在1M KOH溶液、80℃、镍基催化剂条件下，电流密度高达1600mA cm^-2(Lee,Y.M.Energy Environ.Sci.,2021,14,6338-6348)，显示出了良好的应用前景。经过多年的努力，研究人员已逐渐开发出一系列具有优良综合性能的AEMs，但是目前大部分文献报道的AEMs在聚合单体制备、聚合反应或聚合物后功能化过程中往往需要使用昂贵的过渡金属催化剂或高成本高腐蚀性的超酸催化剂，不可避免地造成阴离子交换膜制备成本的提升，很大程度上限制了AEMWE的进一步推广和应用。因此发展简便有效的合成策略，制备出成本低、具有优良性能的阴离子交换膜材料仍然是目前研究的重点及难点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出了一种共轭型支化阴离子交换膜、制备方法及应用，该类膜构筑的电解槽展现出优异的电解水性能。

为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

一种共轭型支化聚合物，结构通式如下：

其中x为支化度(％)，x的范围为1-20；R为下述结构中的一种或多种：

M结构为下列中的一种或多种：

Q＝F、Cl、Br、I

一种共轭型支化阴离子交换膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)聚合物制备：惰性气体氛围、-10-20℃下，将催化剂置于有机溶剂a中搅拌10-120min后，滴加聚合单体混合液开始反应。反应24-144h后用碱性溶液淬灭，之后萃取得到聚合物前体。将聚合物前体溶于有机溶剂b中，惰性气氛下加入胺类溶液，20-80℃下反应24-72h，有机溶剂下沉出聚合物，水洗2-8次后真空干燥得到纯粹的聚合物产物。

(2)将步骤(1)所得聚合物溶解在有机溶剂b中。经过滤、脱泡后浇筑成膜，得到所述共轭型支化阴离子交换膜。

所述惰性气氛为氮气或氩气；

所述催化剂为副族金属及其相应氧化物、卤化物中的一种或多种；进一步优选铜、锌、铜锌合金、镁、锌银合金、三氯化钛、四氯化钛等。