[发明专利]一种燃料电池用低溶胀有序支化型聚芳烃哌啶碱性膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池用低溶胀有序支化型聚芳烃哌啶碱性膜及其制备方法，属于燃料电池材料技术领域；其步骤如下：(1)有序支化型聚芳烃哌啶骨架的制备；(2)侧链型阳离子的制备；(3)低溶胀有序支化型聚芳烃哌啶碱性膜的制备。本发明的方法制备工艺简单，成本低；制备的低溶胀有序支化型聚芳烃哌啶碱性膜兼具高离子传导率与化学稳定性、低溶胀等优点，应用前景广泛，可满足碱性膜燃料电池的应用需求。

技术领域

本发明涉及一种碱性膜及其制备方法，特别涉及一种燃料电池用低溶胀有序支化型聚芳烃哌啶碱性膜及其制备方法，属于燃料电池阴离子交换膜制备技术领域。

技术背景

基于目前质子交换膜燃料电池(PEMFCs)的高成本问题，阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs)，因其允许使用非贵金属催化剂且氧化还原动力学迅速等一系列优点，被视为最具有潜力的下一代新型电池。其中，阴离子交换膜(AEM)作为阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs)的关键组件，目前还存在化学稳定性较差、尺寸稳定性不足等技术瓶颈问题。

阴离子交换膜(AEM)的化学稳定性主要受限于聚合物骨架和阳离子基团的耐碱能力。常用的聚合物骨架如聚苯醚、聚醚醚酮、聚醚砜等，因含有芳醚键，容易受到氢氧根离子的亲核进攻，导致其的稳定性下降。

本发明人研究发现，纯碳链聚合物骨架因不含杂原子而具有较强的耐碱能力。阳离子基团作为限制碱性膜化学稳定性的又一关键因素，其中，季铵阳离子由于成本低且合成途径简单获得了广泛的研究，尤其杂环类的季铵阳离子，其低环应变和构象约束增加了降解过程中取代和消除反应的过渡态能量而具有更好的化学稳定性。

因此，提供一种兼具高离子传导率、低溶胀、高化学稳定性、制作工艺简单等特点的低溶胀有序支化型聚芳烃哌啶碱性膜及其制备方法，就成为该技术领域急需解决的技术难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种兼具高离子传导率、低溶胀、高化学稳定性、制作工艺简单等特点的低溶胀有序支化型聚芳烃哌啶碱性膜。

本发明的上述目的是通过以下技术方案得到的：

一种燃料电池用低溶胀有序支化型聚芳烃哌啶碱性膜，所述低溶胀有序支化型聚芳烃哌啶含有有序支化型聚芳烃哌啶骨架、侧链型阳离子及带有极性基团的侧链。

优选地，所述低溶胀有序支化型聚芳烃哌啶分别为有序支化型侧链阳离子全接枝聚芳烃哌啶、低溶胀有序支化型20％羟基侧链接枝聚芳烃哌啶、低溶胀有序支化型40％羟基侧链接枝聚芳烃哌啶或低溶胀有序支化型60％羟基侧链接枝聚芳烃哌啶。

优选地，所述低溶胀有序支化型聚芳烃哌啶的分子量在5-80万之间。

优选地，所述有序支化型聚芳烃哌啶骨架为二联苯、对三联苯或间三联苯。

优选地，所述侧链哌啶阳离子为1-(2-溴乙基)-1-甲基哌啶、1-(3-溴丙基)-1-甲基哌啶、1-(4-溴丁基)-1-甲基哌啶、1-(5-溴戊基)-1-甲基哌啶、1-(6-溴己基)-1-甲基哌啶、1-(7-溴乙庚基)-1-甲基哌啶、1-(8-溴辛基)-1-甲基哌啶或1-(9-溴壬基)-1-甲基哌啶中的一种或任意两种以上任意比例的混合。

本发明的上述目的是通过以下技术方案得到的：

一种燃料电池用低溶胀有序支化型聚芳烃哌啶碱性膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)有序支化型聚芳烃哌啶骨架(聚芳烃哌啶聚合物)的制备

取一定量的联苯与1，3，5-三苯基苯，溶解于二氯甲烷中，加入过量的N-甲基哌啶酮，混合均匀后，滴加足量的三氟甲磺酸与三氟乙酸(10∶1)的混合液，进行缩聚反应；反应结束后，将聚合物溶液在K₂CO₃水溶液中沉淀，室温下浸泡12-36(24)h，过滤得到白色固体样品，用去离子水充分洗涤后，烘干，得到聚芳烃哌啶聚合物；