[发明专利]一种多级离子化交联型阴离子交换膜及其制备方法

说明书

一种多级离子化交联型阴离子交换膜及其制备方法，属于燃料电池膜材料领域。本发明首先在聚砜主链上接枝同时含N和碳碳双键的单体N‑甲基二烯丙基胺，完成第一步离子化，然后通过自由基聚合接枝VBC和ST共聚物，最后再用TMHDA进行交联，完成第二步离子化，制得多级离子化交联型阴离子交换膜。本发明通过多级离子化过程增加了离子基团的数量，提高了膜的电导率；交联的引入可以抑制膜的吸水溶胀，提高电导率的同时增强了膜的尺寸稳定性，从整体上改善了膜的综合性能。

技术领域

本发明属于燃料电池膜材料领域，涉及一种多级离子化交联型阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

随着能源和环境问题愈演愈烈，燃料电池作为一种清洁、高效的能量转化装置，越来越受到人们的关注。而碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFCs)具有氧化还原过电位低，可使用非贵金属作催化剂，燃料渗透率低的优点，更是成为研究的热点。

阴离子交换膜(AEMS)作为AAEMFCs的关键部件，它的作用是分隔燃料和氧化剂，以及传递H^-。其对AAEMFCs的性能有直接的影响，可以被应用化的 AEM应该满足以下要求：

(1)离子传导率要高。由于AAEMFCs中传递的是OH-，考虑到OH-比 H+的扩散系数低，因此要使AAEMFCs能正常工作，就要保证AEM的电导率不能太低。

(2)良好的耐热性能和耐碱性能。在AAEMFCs的工作中，膜要在大于60℃的碱性条件下长时间工作。聚合物主链和阳离子基团必须具有较好的耐热耐碱性能，才能保证电池的正常运作。

(3)良好的尺寸稳定性和机械性能。由于膜需要在高温条件下长时间运作，因此，膜具有较好的机械强度是非常必要的。

目前，研究者们遇到的主要挑战是如何平衡膜的电导率和尺寸稳定性的问题。因为膜的电导率高伴随着膜吸水溶胀的增大，就必然引起膜的尺寸稳定性变差。为此，研究者们也做了不同的尝试，比如，在主链上接枝多阳离子的侧链，所制备的膜具有很好的微相分离形态，电导率得到提高，但是尺寸稳定性却不尽如人意。

为了解决上述问题，本课题通过自由基聚合接枝对氯甲基苯乙烯(VBC) 和苯乙烯(ST)共聚物侧链，然后再进行交联，制备了多级离子化交联型阴离子交换膜。这种膜的优点是，一方面通过多级离子化过程增加了离子基团的数量，达到提高电导率的目的；另一方面，引入交联结构，提高电导率的同时增强膜的尺寸稳定性，从整体改善了膜的性能。

发明内容

本发明通过优化现有阴离子交换膜的制备方法，制备了一种多级离子化交联型阴离子交换膜。该膜在提高了电导率的同时，增强了膜的机械性能，从整体上改善了膜的性能。

为了达到上述技术目的，本发明的技术方案是：

一种多级离子化交联型阴离子交换膜，该膜是以接枝了N-甲基二烯丙基胺的聚砜为主链，通过自由基聚合接枝VBC共聚ST侧链，在侧链的VBC之间引入N,N,N,N-四甲基己二胺(TMHDA)完成交联，最终制得主链为聚砜，侧链为 VBC和ST共聚物，交联剂为TMHDA的多级化交联型阴离子交换膜。

所述的多级离子化交联型阴离子交换膜的结构式为：

其中，n代表聚砜主链上重复单元的个数。

一种多级离子化交联型阴离子交换膜的制备方法中，首先在聚砜主链上接枝同时含N和碳碳双键的单体N-甲基二烯丙基胺，完成第一步离子化，然后通过自由基聚合接枝VBC和ST共聚物，最后再用TMHDA进行交联，完成第二步离子化，制得多级离子化交联型阴离子交换膜。具体包括以下步骤：

第一步，合成接枝N-甲基二烯丙基胺的聚砜主链(N-PSF)