[发明专利]一种优异综合性能的哌啶型阴离子交换膜及其制备方法

说明书

一种优异综合性能的哌啶型阴离子交换膜及其制备方法，其中制备方法包括：将2‑溴乙基丙烯酸酯溶于有机溶剂，并加入2‑(丁基三硫代碳酸酯基)丙酸和光催化剂，在氩气气氛下进行光聚合反应得到第一反应溶液；在第一反应溶液中加入苯乙烯类化合物、有机溶剂和光催化剂，并在氩气气氛下进行光聚合反应得到第二反应溶液；将第二反应溶液于乙醇中沉淀，多次纯化后得到嵌段聚合物；将嵌段聚合物溶于有机溶剂，再加入N‑甲基哌啶，于油浴锅中进行哌啶功能化反应得到第三反应液；将第三反应液涂覆于基板上，烘干，得到哌啶型阴离子交换膜。本发明哌啶型阴离子交换膜在较低离子交换容量的情况下获得较高的离子传输效率，实现了低含水率情况下的高离子电导率。

技术领域

本发明涉及燃料电池膜材料领域，具体涉及一种优异综合性能的哌啶型阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

阴离子交换膜燃料电池由于能够结合质子交换膜燃料电池和传统碱性燃料电池的优点而备受关注。阴离子交换膜燃料电池还可以潜在地解决质子交换膜燃料电池的许多缺点，如催化剂的成本、还原反应动力学和燃料渗透等问题。而阴离子交换膜作为阴离子交换膜燃料电池的关键部件之一，其性能直接影响了电池的使用寿命和最终性能。离子电导率与水溶胀之间的相互制约效应与化学稳定性是阴离子交换膜的两个主要性能。

为了制备离子电导率与水溶胀之间的相互制约效应与持久化学稳定性的阴离子交换膜，研究者们设计了主链型阴膜、侧链型阴膜和嵌段型阴膜等。主链型阴膜由于离子功能基团直接或者以较短的链间隔接连在主链上，这种构型的阴膜通常离子电导率较低，水溶胀率较高，耐碱性较差。与主链型阴膜相比，侧链型阴膜可以更加有效地构建离子通道，从而能够在一定程度上提高膜的离子电导率与耐碱性，但效果不是很理想。与其它构型的阴离子交换膜相比，嵌段型阴膜更容易获得高的离子电导率，这主要源于嵌段聚合物可以形成取向、连续贯通的亲/疏水性通道，从而为离子传输提供通道，改善其离子传输性能。然而，现有技术的“嵌段型阴膜”在合成嵌段前驱体过程中无法保证完全真空和氩气氛围，致使重复性比较差，而且没有较好的体现离子电导率与水溶胀之间的相互制约效应，具体体现在水溶胀很低的情况下，其电导率很低(30℃时Cl-型电导率为5.94mS/cm，60℃为9.84mS/cm)，从而导致其应用受限，无法满足燃料电池的实际使用需求。

发明内容

基于此，本发明提供了一种优异综合性能的哌啶型阴离子交换膜及其制备方法，以解决现有技术用于燃料电池的嵌段型阴膜在水溶胀很低的情况下，其电导率很低的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种优异综合性能的哌啶型阴离子交换膜的制备方法，其包括以下步骤：

1)将2-溴乙基丙烯酸酯溶于有机溶剂，并加入2-(丁基三硫代碳酸酯基)丙酸和光催化剂，在氩气气氛下采用可见光进行光聚合反应，得到第一反应溶液；

2)在步骤1)得到的第一反应溶液中加入苯乙烯类化合物、有机溶剂和光催化剂，并在氩气气氛下采用可见光进行光聚合反应，得到第二反应溶液；

3)将步骤2)得到的第二反应溶液于乙醇中沉淀，多次纯化后得到嵌段聚合物；

4)将步骤3得到的嵌段聚合物溶于有机溶剂，再加入N-甲基哌啶，于油浴锅中进行哌啶功能化反应，得到第三反应液；

5)将步骤4)得到的第三反应液涂覆于基板上，烘干，得到哌啶型阴离子交换膜。

作为本发明的进一步优选技术方案，步骤1和2)中进行的光聚合反应均在密闭的反应容器中进行，并在添加完对应的全部反应物后，以及光聚合反应前，对反应容器进行冷冻-抽真空-解冻-通氩气的处理，且循环多次。

作为本发明的进一步优选技术方案，步骤1和2)中进行光聚合反应的时间分别为0.5-1h和12-24h。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述光催化剂为三(苯基吡啶)铱络合物，步骤1和2)均采用蓝光照射进行光聚合反应。