[发明专利]一种聚苯并咪唑离子溶剂膜及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种聚苯并咪唑离子溶剂膜及其制备方法与应用，其制备方法具体包括：在氮气氛围下，向PPA溶剂中加入含有上述R结构的二酸和联苯四胺，加热搅拌升温至120‑160℃，反应3‑10小时，趁热将溶液倒入去离子水中，得到丝状聚合物，多次洗涤后加入碳酸氢钠将溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤，将得到的聚合物烘干；将烘干的聚合物在25‑100℃下溶于极性溶剂中，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平，于60‑100℃下干燥5‑24h成膜，然后于80‑150℃下真空干燥1‑24h，即得所述聚苯并咪唑离子溶剂膜。本发明聚苯并咪唑离子溶剂膜可应用于碱性电解水槽上，具有优异的碱稳定性和电池性能。

技术领域

本发明涉及碱性水电解领域，特别涉及一种聚苯并咪唑离子溶剂膜及其制备方法与应用。

背景技术

21世纪以来，传统化石燃料给人类的生存环境造成了严重的威胁。此外，化石燃料储量有限，且再生周期长。人类面临着生存发展的现实问题，逐渐意识到发展绿色、可持续、可再生的能源系统尤为重要(Proceedings of the Ieee,2012,100(3):811-811)。可再生能源如风能存在随机性、间歇性等问题，无法进行持续、稳定地能源输出(RenewableEnergy,2018,123:117-124)。氢能因其绿色、稳定、比能量高受到了广大研究者的关注。同时将氢气纳入目前的能源体系将有望从根本上解决环境污染、能源短缺、温室效应等问题。传统AWE(Alkaline water electrolysis,AWE)存在能耗高、效率低等问题。为了进一步提高电池效率，降低产氢能耗，高效且成本适宜的碱性聚合物水电解(Alkaline polymerelectrolysis,APE)得到了快速发展(Adv Mater,2019:1-14)。AEM作为APE的核心部件，其性能直接影响电池的最终表现。传统AEM如PSf和PPO等，在碱性条件下容易发生醚氧键断裂反应，导致聚合物主链断裂，严重影响膜的机械稳定性。聚苯并咪唑(PBI)是高分子主链中含苯并咪唑重复单元的芳杂环聚合物，芳香性的主链使其具有较高机械稳定性和化学稳定性。PBI的离子交换基团位于主链上，其咪唑环上的氮原子在碱性条件下容易脱质子化，形成网络状负电性的结构，具备了阴离子传导的物质基础。在碱性聚合物电解水装置中，阴阳极电解液是一定浓度的KOH溶液，这样，KOH掺杂的PBI膜同时具备分隔正负极、传导OH^-和隔绝反应产生的气体，保持氢气纯度。

目前，商业化的聚苯并咪唑树脂为聚[2,2’-(间-亚苯基)-5,5’-二苯并咪唑](m-PBI)。其化学结构式如下：

David等人(Journal of The Electrochemical Society,2016,163(11):F3125-F3131)制备了一种基于m-PBI的聚合物电解质膜，将其用高浓度KOH溶液处理后，可使膜吸附大量的OH^-，大大提升了膜的离子传导能力。但通过色谱和光谱对膜进行碱稳定性分析后，发现在KOH浓度大于15wt％时，聚合物膜会发生氧化降解。可见，基于PBI的AEM在AWE上有积极的发展前景，开发更高碱稳定性、优异机械性能、高电导率的阴离子交换膜至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有优异碱稳定性，同时具有良好机械性能和较高的氢氧根电导率的聚苯并咪唑离子溶剂膜及其制备方法与应用。

本发明中的聚苯并咪唑主链含刚性大体积结构，增加了咪唑环上C2空间位阻，进而提升了聚合物的耐碱性和机械性能。本发明利用不同结构的二酸与联苯四胺通过亲核缩聚反应制备得到。本发明在碱性水电解领域具有良好的应用前景。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种聚苯并咪唑离子溶剂膜，其特征在于，所述聚苯并咪唑离子溶剂膜为均聚物或无规共聚物，其结构通式为：