[发明专利]一种阴离子交换膜及其制备方法和燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种阴离子交换膜及其制备方法和燃料电池，具体地涉及咪唑功能化的溴化聚苯醚均相阴离子交换膜及其制备方法，以及使用该咪唑功能化的溴化聚苯醚均相阴离子交换膜的燃料电池。

背景技术

阴离子交换膜在电渗析、扩散渗析、碱性燃料电池、膜电解、电化学传感器等领域有着广泛的应用，其开发和优化一直受到工业界和理论界的关注。现有的阴离子交换膜大部分以季铵基团为阴离子交换基团，其耐碱性、热稳定性、传导性和机械强度等均较差。

例如，中国专利CN200810047595.0公布了一种阴离子交换膜的制备方法，在聚苯醚主链上引入氯甲基基团，将上述氯甲基化产物溶解得到涂膜液；将三甲胺水溶液加热汽化，三甲胺气体经过碱性干燥剂干燥后通入上述聚合物的氯甲基化产物溶液中，得到聚合物的氯甲基化产物的季铵化溶液；在40至70℃下搅拌反应2至15小时得到聚合物的氯甲基化产物的季铵化溶液，再将上述膜液涂铸成膜。上述制备阴离子交换膜的方法比较繁琐，三甲胺气体导入聚合物溶液制备聚合物季铵化溶液，难以保证氯甲基基团的完全季铵化。此外，这类季铵型的阴离子交换膜在碱性环境中易发生霍夫曼降解和亲核取代反应，因此膜的热稳定性和耐碱性均较差。

例如，中国专利CN201010141349.9公布了一种含杂萘酮结构聚芳醚酮酮阴离子交换膜的制备方法。含二氮杂萘酮结构聚芳醚酮酮先经过与氯甲基化试剂氯甲基烷基醚的反应引入氯甲基基团。将上述氯甲基化含杂萘酮结构聚芳醚酮酮溶解于溶剂制备涂膜液，刮制成膜。再置于多元胺进行胺化处理，得到阴离子交换膜。上述获得阴离子交换膜的过程中要使用高毒，致癌性的氯甲基化试剂，对环境和人类健康造成潜在威胁。尽管该阴离子交换膜的主链结构具有好的化学和热的稳定性，但是季铵型的离子交换基团本身在碱性环境中易降解，导致该膜的热稳定性和耐碱性均较差。此外，上述过程是在成膜后功能化，在成膜过程中，由于缺乏亲水-疏水相分离的动力，不利于形成贯穿的离子传导通道，因此所得膜的离子传导性能不好。

例如，中国专利CN201010141349.9公布了一种基于咪唑阳离子耐高温阴离子交换膜的制备。该发明合成咪唑功能化的乙烯烃单体，在自由基引发剂的作用下聚合反应，将反应溶液于聚苯并咪唑、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚砜共混，将混合液平铺于玻璃板，挥发溶剂成膜。尽管基于咪唑的阳离子交换膜的耐碱性和热稳定性均较好，但是乙烯烃单体聚合物直接制得的膜的机械强度较低，须与芳香型聚合物共混来提高膜的机械性能。然而，简单的机械共混所制得膜结构均一性差，膜为半均相结构，其离子传导性能和机械性能均较差。

因此，为了克服现有技术中均相阴离子交换膜的上述缺陷，本发明人进行了深入的研究，结果发现通过使用一种咪唑功能化的溴化聚苯醚涂膜液来形成均相阴离子交换膜，可以克服上述的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有OH^-电导率高、耐碱性和热稳定性好、机械强度高这些优势的均相阴离子交换膜，具体是一种基于咪唑功能化的溴化聚苯醚均相阴离子交换膜。本发明的另一个目的是提供一种制备具有电导率高、耐碱性和热稳定性好、机械强度高这些优势的均相阴离子交换膜的方法。而且，所得膜的性能容易通过可以通过简单的改变加入N-取代咪唑小分子的量而进行调控。

为此，本发明提供如下方面：

<1>.一种阴离子交换膜，所述阴离子交换膜包含具有如下结构的咪唑功能化的溴化聚苯醚，

其中R为CH₃、CH₂CH₃、C H₂C H₂C H₃或C H(C H₃)₂，x在10％-100％的范围，并且m在10％-60％的范围。

<2>.根据<1>所述的阴离子交换膜，所述阴离子交换膜是自支撑的。

<3>.根据<1>所述的阴离子交换膜，所述阴离子交换膜包含作为支撑的增强织物。

<4>.一种用于制备上述任一项所述的阴离子交换膜的方法，所述方法包括以下步骤：

涂膜液的制备步骤，即，将溴化聚苯醚溶于有机溶剂中，配置为5质量％-25质量％的聚合物溶液，按照溴化聚苯醚中含有的溴甲基的摩尔量的0.1-5倍加入N-取代咪唑小分子化合物，在20-80℃下搅拌反应4-50h，得到咪唑功能化的溴化聚苯醚涂膜液；以及