[发明专利]一种半互穿阴离子交换膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种半互穿阴离子交换膜及其制备方法和应用，包括在第一有机溶剂和催化剂存在下，将苯乙烯‑乙烯‑丁烯嵌段共聚物和1，4‑二氯甲氧基丁烷反应；在第二有机溶剂和引发剂的存在下，将聚苯醚和N‑溴代琥珀酰亚胺反应；在第三有机溶剂存在下，将氯甲基化苯乙烯‑乙烯‑丁烯嵌段共聚物与交联剂反应，得A溶液；将溴化聚苯醚溶解于第三有机溶剂，得B溶液；将A溶液和B溶液混合搅拌，倒入模具，烘干得薄膜；将薄膜浸泡于三甲胺水溶液，得卤素型半互穿阴离子交换膜；将卤素型半互穿阴离子交换膜与碱溶液离子交换，得半互穿阴离子交换膜。本发明薄膜具备抗拉伸强度高、柔韧性好、成膜均匀、离子电导率高、化学稳定性优异的特点。

技术领域

本发明属于阴离子交换膜技术领域，更具体地，涉及一种半互穿阴离子交换膜及其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池是一类可以实现将化学能直接转化为电能的装置，具备清洁、高效的特点。质子交换膜燃料电池作为低温燃料电池具备功率密度高、可室温启动、结构紧凑的优点，被认为是理想的可移动/可携带式电源装置。然而强酸的工作环境，不仅对设备要求高，且电极反应对贵金属催化剂(如铂)有强烈依赖，此外，普遍应用的聚电解质隔膜材料Nafion造价昂贵，因此，大大限制了质子交换膜燃料电池的商业化应用。

与质子交换膜燃料电池相比，碱性的工作环境不仅可以摆脱对贵金属催化剂的依赖，还具备更快的阴极反应动力学，因而阴离子交换膜燃料电池具备更大的市场应用潜力，因此开发性能优异的阴离子交换膜十分迫切。阴离子交换膜在燃料电池中起传导离子和隔离燃料及氧化剂的作用，因此其需要具备高离子传导性能、高致密性、高机械性能和高化学稳定性。

目前对于阴离子交换膜的研究很多，其中一个研究方向是开发半互穿阴离子交换膜，例如，在文献(Polymer,2021,226,123824)中，作者合成的半互穿阴离子交换膜结构中的交联网络组分和离子传导组分均采用聚砜作为主链，尽管材料有较高抗拉伸强度但是膜的断裂伸长率却不尽人意。在文献(Chem.Mater.,2015,27,6689；Macromol.Mater.Eng.,2020,2000506)中，虽然也是柔性组分和刚性组分形成半互穿阴离子交换膜，但是由于交联组分作为非离子组分，大大稀释了阴离子交换膜的离子浓度，导致离子交换容量普遍偏低，离子电导率低。在文献(Int.J.Hydrogen Energy,2021,46,10377)中，尽管交联组分也采用的是离子交联，但是柔性组分并没有提供离子，因此最终合成的半互穿阴离子交换膜尽管表现出较高的抗拉伸强度和断裂伸长率，但是离子电导率偏低，导致最终得到的电池放电功率不高。

综上，目前开发的半互穿阴离子交换膜主要存在的问题为机械性能不好，或者离子电导率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种半互穿阴离子交换膜及其制备方法，该半互穿阴离子交换膜具备抗拉伸强度高、柔韧性好、成膜均匀、离子电导率高、化学稳定性优异的特点。

为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种半互穿阴离子交换膜的制备方法，该制备方法包括：(1)在第一有机溶剂和催化剂存在下，将苯乙烯-乙烯-丁烯嵌段共聚物和1，4-二氯甲氧基丁烷进行反应，得到氯甲基化苯乙烯-乙烯-丁烯嵌段共聚物；

(2)在第二有机溶剂和引发剂的存在下，将聚苯醚和N-溴代琥珀酰亚胺进行反应，得到溴化聚苯醚；

(3)在第三有机溶剂存在下，将所述氯甲基化苯乙烯-乙烯-丁烯嵌段共聚物与交联剂进行反应，得到A溶液；将所述溴化聚苯醚溶解于所述第三有机溶剂中，得到B溶液；将所述A溶液和所述B溶液混合搅拌，然后倒入模具中，烘干得到薄膜；将所述薄膜浸泡于三甲胺水溶液中，得到卤素型半互穿阴离子交换膜；将所述卤素型半互穿阴离子交换膜与碱溶液进行离子交换，得到阴离子为氢氧根的所述半互穿阴离子交换膜。