[发明专利]含梳形侧链的嵌段型芴基阴离子交换膜及其制备方法

说明书

本发明公开了含梳形侧链的嵌段型芴基阴离子交换膜及其制备方法，可用于碱性燃料电池。本发明阴离子交换膜的材料为含梳形侧链的嵌段型芴基聚芳醚酮聚合物，且在含四甲基结构的单元上接枝了含柔性长碳链的季铵离子基团。其制备过程主要包括：(1)嵌段型含芴基聚芳醚酮聚合物的合成；(2)聚合物的溴化改性；(3)含梳形侧链的嵌段型芴基阴离子交换膜的制备。由此制备的阴离子交换膜具有发达的离子传输通道，具备高含水率以及低溶胀率特性，克服了现有阴离子交换膜高含水率、高电导率及低溶胀率不可兼得的缺点，以及在碱性稳定性取得了很好的稳定性。且制备过程不使用剧毒致癌的氯甲醚试剂，在碱性燃料电池领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于碱性燃料电池领域，具体涉及阴离子交换膜。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell)是一种利用化学反应技术将储存于燃料和氧化剂中的化学能直接高效转化为电能的发电装置，被视为第四代发电技术。燃料电池作为一种清洁高效的可再生能源转换装置，具有高效率、高能量密度、环境友好、携带方便等优点，在过去的十年中受到了广泛的关注。在各种类型的燃料电池中，碱性电解质膜燃料电池(AEMFCs)因其具有氧化还原反应速度快、使用非贵金属催化剂的潜力而受到人们的特别关注，已经成为目前燃料电池领域的研究热点。其中，阴离子交换膜是AEMFCs的关键组件，起着传导OH^-离子及阻隔燃料渗透的作用，决定着燃料电池的性能优劣。

目前，大部分阴离子交换膜是长链无规型聚合物，导致制备的阴离子交换膜的离子交换基团分布随机，难以形成连续有效的离子通道，所以阴离子交换膜的电导率较低。Li等人制备了一系列梳形阴离子交换膜，将长脂肪链接枝在季铵盐上，导致明显的纳米尺度相分离形态，使膜具有更高离子电导率以及更优尺寸稳定性和碱性稳定性的特点(J MaterChem A,2017,5:10301-10310)。但是具有高疏水的长脂肪链也对离子通过水分子运输产生阻碍。作为升级，一些研究人员将两个或两个以上的阳离子基团插入到同一侧链上，提高了侧链的疏水性、极性和离子通道中的官能团浓度，获得更高的电导率(Int J HydrogenEnergy,2018,43:21742-21749)。但是多阳离子季铵化试剂的合成复杂，在实际工业应用中面临很大挑战。因此，还有必要对阴离子交换膜进一步改进。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明目的在于提供含梳形侧链的嵌段型芴基阴离子交换膜及其制备方法，其制备过程不使用氯甲醚试剂；通过分子设计在其疏水段引入芴基侧基结构，并且在具有P₁结构的四甲基双酚单体上引入含梳状长烷基侧链功能化基团，使膜具有发达的离子传输通道、高含水率、低溶胀及碱性稳定性的特性，表现出较高的离子电导率及较优的燃料电池性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：

一种含梳形侧链的嵌段型芴基阴离子交换膜，所述阴离子交换膜的主链结构为嵌段型芴基聚芳醚酮聚合物，其分子结构中包括含嵌段型芴基的亲/疏水段，且在具有P₁结构的四甲基双酚单体上接枝梳状柔性长烷基侧链季铵离子功能化基团，其分子结构式如下：

其中，m＝5～50的整数，n＝5～50的整数，R为H或含柔性长碳链的季铵离子基团，结构为中任意一种，且至少一个R为中的一种，即聚合物的每个单体上或者说就聚合物中R的取代程度而言平均到每个单体上，都有至少一个R为中的一种即至少一个R不为H；当两个或两个以上的R不为H时，各个R可以相同或不同；

P₁选自(a1)～(e1)中任意一种；

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：

一种含梳形侧链的嵌段型芴基阴离子交换膜的制备方法，具体包括以下步骤：