[发明专利]一种含氨基的聚芳醚酮砜/阳离子型金属有机框架阴离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池用含氨基的聚芳醚酮砜/阳离子型金属有机框架阴离子交换膜，其中含氨基的聚芳醚酮砜与阳离子型D‑UiO‑66‑NH₂质量比为1:0.005~0.02，制备的聚芳醚酮砜聚合物中含有氨基，能够促进形成氢键网络，氢键网络可以帮助抑制膜的溶胀，进一步促进离子传输通道的形成；所制备的阳离子型D‑UiO‑66‑NH₂上含有的阳离子基团也可以帮助构建离子传输通道，在提高膜的机械稳定性的同时进一步提高离子传导率，实验结果表明，本发明的阴离子交换膜在80℃下离子传导率为0.129‑0.184 S cm^‑1，该阴离子交换膜的厚度为25.3‑35.67μm，这表明其在燃料电池装置中的应用潜力。研究的基于PAEK的阴离子交换膜是AEMFC开发的很好的候选材料。有望应用于燃料电池领域。

技术领域

本发明属于高分子化学和碱性燃料电池领域，具体涉及一种含氨基的聚芳醚酮砜/阳离子型金属有机框架阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种电化学的发电装置，不同于常规意义上的电池，燃料电池直接把化学能转换成电能，能量转换效率高（40%-60%）、环境友好，被认为是21世纪首选的洁净高效的发电技术。质子交换膜燃料电池（PEMFC)因其能量转换效率高、可靠性高、运行安静等优点而受到广泛关注。质子交换膜(PEMs)作为PEMFC的“心脏”，起着质子导体和阻隔燃料与氧化剂的作用。然而，PEMFC的应用要使用贵金属作为催化剂，从而造成成本高昂。因此，碱性聚合物电解质燃料电池(APEFCs)因其高反应动力学和非贵金属催化剂的潜在应用而受到越来越多的关注。

阴离子交换膜（AEMs）是APEFCs的关键组成部分之一，通常需要具备高离子电导率、良好的尺寸稳定性。聚芳醚酮砜（PAEKS）有良好的成膜能力和热稳定性，本发明合成了具有氨基的PAEK基质，存在的氨基可以促进氢键网络的形成，帮助抑制膜的溶胀，有利于离子传输通道的形成。金属有机框架（MOFs）是由金属离子或金属氧簇与有机配体配位形成的，MOFs可调节的框架结构、孔径、表面性质、粒径和可控的客体分子以及丰富的活性位点为其在质子传导领域带来了关注。因此，本发明中我们选用带有氨基的PAEKS作为聚合物基体，往其中引入阳离子型金属有机框架（C-MOFs），以此来达到提高膜传导率的同时，保持良好的机械性能和热稳定性的目的。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种含氨基的聚芳醚酮砜/阳离子型金属有机框架阴离子交换膜及其制备方法，在保持膜良好尺寸稳定性和热稳定性的同时提高离子电导率。本发明通过往含有氨基的聚芳醚酮砜聚合物中掺杂C-MOFs，可以获得具有良好性能的阴离子交换膜。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种含氨基的聚芳醚酮砜/阳离子型金属有机框架阴离子交换膜的制备方法，该阴离子交换膜由含氨基的聚芳醚酮砜和C-MOF(D-UiO-66-NH₂)组成，其中D-UiO-66-NH₂的添加量分别为聚合物质量的0.5%~2%。

本发明首先提供了一种含氨基的聚芳醚酮砜/阳离子型金属有机框架阴离子交换膜的制备方法，其中包括以下步骤：

A、将含氨基的聚芳醚酮砜配置为聚合物溶液；

B、将咪唑单体和D-UiO-66-NH₂加入步骤A所得溶液中，制备铸膜液；

C、将步骤B所得铸膜液铺膜得到燃料电池用含氨基的聚芳醚酮砜/阳离子型金属有机框架阴离子交换膜。

上述方案中步骤A所述含有氨基的聚芳醚酮砜溶液的配置方法为：

将含有氨基的聚芳醚酮砜加入NMP溶液中，室温下搅拌数小时得到含有氨基的聚芳醚酮砜溶液，其中NMP代表N-甲基-2-吡咯烷酮，溶液的质量体积浓度为0.05g/mL。

上述方案中步骤B所得铸膜液的制备方法为：