[发明专利]丁基咪唑鎓类共聚物材料及制备方法

说明书

一类多聚(丁基咪唑鎓)离子液体功能化共聚物(b‑VIB/p‑MS/R：b‑VIB/p‑MS/PBI；b‑VIB/p‑MS/DPEBI)阴离子交换膜材料及其膜的制备方法。确定了PBI/DPEBI、p‑MS、b‑VIB三种聚合物单元的组份比例及共聚成膜方法，得到了传导性、溶胀度、吸水率、及热、碱稳定性的优化组合。说明了膜中三种聚合物单元的作用，阴离子传导率测试显示共聚物中单一聚合物的比例直接影响最终阴离子交换膜的离子传导率。制得的阴离子交换膜在高温条件下具有热稳定性，在燃料电池的应用方面具有较理想的效果。

技术领域

本发明涉及高分子化学，材料化学领域，具体是涉及到一类新的多聚(丁基咪唑鎓)离子液体功能化共聚物阴离子交换膜材料及其制备方法。

背景技术

阴离子交换膜(AEMs)作为聚电解质膜的关键部分在燃料电池中起着关键的作用，它隔离氧化剂和燃料，提供阴离子的传输通道。由于非贵金属(如：银、钴等)可作为催化剂被用于AEMs极大的提高燃料电池的功率密度并降低燃料电池的成本，且AEMs可在碱性介质中进行操作而非酸性提高了催化剂的稳定性，使得电化学反应更加容易，另外，阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs)中电渗流的方向与质子交换膜燃料电池(PEMFCs)相反从而减少燃料的渗透量等优点，使AEMFCs被认为是PEMFCs的良好替代品。然而，由于氢氧根离子的迁移率低于质子，且亲核试剂易进攻有机阳离子降低AEMs碱稳定性，导致AEMs具有较低的传导率，从而限制其在实际中应用。

提高AEMs电导率有两种方法：(1)增加AEMs中导电基团(季铵盐、咪唑鎓盐、胍盐和鏻盐)的密度；(2)通过更好的定位季铵(QA)基团(如“侧链型”)、新的聚合物嵌段设计或接枝/梳状共聚物结构等方法控制聚合物膜形态。在基于离子液体的AEMs中含有咪唑鎓盐结构具有一些潜在优点：(1)咪唑鎓盐五元杂环中正电荷的离域有利于阻止碱性环境中亲核试剂的进攻；(2)具有更显著的亲/疏水相分离的膜形态；(3)咪唑化学避免了由三甲胺引起的负面化学环境；(4)咪唑鎓盐的热稳定性远优于铵根阳离子。基于上述背景，本发明设计并制备了一系列新型的多聚(丁基咪唑鎓)离子液体功能化共聚物材料，并对共聚物进行交联制成具有良好的阴离子传导性、机械强度及热、碱稳定性的阴离子交换膜。

发明内容

本发明的目的在于提供一类新型的具有较好阴离子传导率、吸水率、溶胀度、化学及热稳定性的多聚(丁基咪唑鎓)离子液体功能化共聚物阴离子交换膜材料及其膜的制备方法，并对所制备阴离子交换膜的阴离子传导率、吸水率、溶胀度、热、碱稳定性及其燃料电池等进行实验测定，证明了本发明的材料及其作为阴离子交换膜在燃料电池的应用方面具有潜在条件。

本发明的第一个方面提供了如下结构式的多聚(丁基咪唑鎓)离子液体功能化共聚物(b-VIB/p-MS/R)阴离子交换膜材料的结构。

b-VIB/p-MS/PBI：

b-VIB/p-MS/DPEBI：

其中，x为1,3′-苯基-5,5′二苯并咪唑/4,4′-二苯基醚-5,5′二苯并咪唑残基单元的数量即PBI/DPEBI链的长度；n为对甲苯乙烯残基单元的数量；m为N,N-3-丁基-1-乙烯基咪唑溴鎓残基单元的数量。

本发明的第二个方面，提供了具有上述结构的多聚(丁基咪唑鎓)离子液体功能化共聚物阴离子交换膜材料及其膜的制备方法，包括步骤：

(1)将对甲苯乙烯通过氧化铝柱以消除抑制剂纯化；将过氧化苯甲酰(BPO)完全溶解于氯仿/甲醇冰浴溶液中，过滤固体，得到纯化的BPO；其他的药品未纯化。