[发明专利]含氮杂环季铵盐阴离子交换膜材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种含氮杂环季铵盐阴离子交换膜材料及其制备方法，首先将含氮杂环季铵盐阳离子进行炔基封端，然后再利用点击化学修饰方法，将具有高碱稳定性的氮杂环季铵盐阳离子接枝到聚合物骨架上，制备的膜在碱性溶液中浸泡，得到高离子传导率、高碱稳定性的阴离子交换膜材料。本发明公开的制备方法操作简单、快捷、安全，制得碱性膜材料具有结构可控、离子交换容量高、电导率高、机械性能优异、碱稳定性好等特点，可以满足燃料电池、电解水等领域的需要，具有良好发展前景。

技术领域

本发明属于燃料电池及电解水膜材料高分子设计合成领域，具体涉及一种含氮杂环季铵盐阴离子交换膜材料及其制备方法和应用。

背景技术

为走出目前能源危机和环境污染的困境，加强对清洁能源和可再生能源的开发，氢作为一种洁净的二次能源载体，成为连接可再生能源与传统化石能源的桥梁，燃料电池和电解水制氢技术受到了世界范围内的广泛关注。

燃料电池作为一种可将燃料氢能中的化学能直接转化为电能的装置，具有高能量转化效率、环境友好等优点，被认为是下一代理想电源及动力电池，近年来备受瞩目。与质子交换膜燃料电池相比，阴离子交换膜燃料电池由于其碱性的工作环境，因而显示出独特的优势：1）碱性条件下阴极的氧化还原动力学过程比在酸性环境中更快；2）可以使用非贵金属催化剂（如Ag、Ni等），能够大幅度降低电池成本；3）由于OH⁻与燃料传递方向相反，大大降低了燃料（如甲醇等）泄漏率；4）碱性介质对电池内部的腐蚀性更低。由于阴离子交换膜的诸多优势，同时为满足氢能供应阴离子交换膜电解水制氢技术也得到了广泛关注。

作为碱性阴离子交换膜电化学装置的核心部件，阴离子交换膜（AEMs）主要起到阻隔电极和传导OH⁻的双重作用，其性能水平直接影响到燃料电池的能量转化效率、使用寿命等性能指标。然而，较之于成熟的质子交换聚合物膜，碱性阴离子交换聚合物膜的研究水平却相对落后，仍然存在一些亟待解决的问题，如化学稳定性差及使用寿命短等。从实际应用的需求看，适用于碱性阴离子交换膜电化学装置的阴离子交换聚合物膜不仅需要具备优良的机械性能、低溶胀率及良好的热稳定性，还必须满足高电导率及优异的化学稳定性等条件。

阴离子交换膜中常用的三甲胺季铵盐（QAs）基阴离子交换膜可在一定碱性环境下降解，特别是在较高的温度下，会导致离子基团的损失和不期望的聚合物骨架的降解。现在公认的季铵盐阳离子降解机理主要是霍夫曼消除、直接亲核取代、叶立德（ylide）中间体形成或其他重排反应。一种有效的替代方法是将其他稳定的有机阳离子加入到制备AEMs聚合物中。Marino和Kreuer对26种不同的季铵盐阳离子的碱性稳定性进行了研究，发现氮杂环季铵盐阳离子的碱稳定性异常优异，这是由于其固有的环应变造成的，不利于亲核取代和消除反应。

近年来，氮杂环类的季铵阳离子，由于其突出的耐碱性受到了广泛的关注，所以含氮杂环季铵阳离子有望解决目前碱性阴离子交换膜寿命低的问题。但是，如何将含氮杂环季铵阳离子接枝到聚合物主链上，研发高离子传导率，高耐碱性和高器件耐受性的碱性阴离子交换膜是该技术领域亟需解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有较高的碱稳定性和器件寿命的含氮杂环季铵盐阴离子交换膜材料、利用点击化学制备该阴离子交换膜材料的方法以及该材料的应用。

本发明采用如下技术方案：

一种含氮杂环季铵盐阴离子交换膜材料，其通式为：

其中，x 为取代度，0＜x≤100；

R₁为全碳链或含醚氧键的碳链，总长度为1-12个碳原子；

R₂为全碳链或含醚氧键的碳链，总长度为1-12个碳原子；

R₁，R₂相同或者不同；