[发明专利]一种咪唑型基团功能化的聚合物及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种咪唑型基团功能化的聚合物及其制备方法和应用，所述的咪唑型基团功能化的聚合物如下式：Ysubgt;1/subgt;、Ysubgt;2/subgt;各自独立地选自芳基、芳烷基、杂烷基、烷基、全氟烷基或不存在；R选自取代或未取代的亚芳基、亚芳烷基、亚杂烷基、亚烷基、全氟亚烷基、亚杂芳基或不存在；Arsubgt;1/subgt;、Arsubgt;2/subgt;各自独立地选自芳基、芳烷基、杂烷基、烷基、全氟烷基或不存在；Xsubgt;1/subgt;、Xsubgt;2/subgt;各自独立地选自碳或氮。所述咪唑型基团功能化的聚合物应用于碱性燃料电池的离子交换膜。本发明提供了一种咪唑型基团功能化的聚合物，其制备方法简单易行，具有良好的离子传导率和稳定的物化性能，在碱性燃料电池阴离子膜应用方面具有巨大的潜力。

技术领域

本发明涉及一种咪唑型基团功能化的聚合物及其制备方法和应用，属于燃料电池和电化学膜材料技术领域。

背景技术

燃料电池是一种经过电化学方式将燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置。相比于传统的电池，理论上燃料电池的容量是无限的，只要不断从外部提供燃料和氧化剂，电池就能持续发电，而且燃料电池不受卡诺循环的限制，具有很高的能量转化效率。燃料电池主要是四大部分：双极板、膜电极、密封圈和端板，其中膜电极为燃料电池的核心部件，而膜电极又由气体扩散层(GDL)、离子交换膜(AEM/PEM)、催化层(CL)组成，根据离子交换膜的种类分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)和阴离子膜燃料电池(AEMFC)。离子交换膜的主要作用有：隔绝阴极和阳极、传输离子的介质和催化剂载体，是膜电极的核心部件之一，膜的性能高低和寿命长短直接决定着燃料电池的整体性能。

近年来，全氟磺酸型质子交换膜(Nafion)因为优异的化学和热稳定性，良好的质子传导效率，使得质子膜燃料电池的研究应用取得里程碑式发展，各种以其为动力的商业化燃料电池汽车相继被报道，很多性能都可以与内燃机汽车相抗衡。但由于其强酸性运行环境，需使用铂等贵金属作为催化剂，大大增加使用成本，而且燃料和氧化剂中的二氧化硫和一氧化碳可使催化剂活性降低甚至失活，种种限制因素制约了质子交换膜的商业化进程。因此，近些年研究人员目光更多的在碱性阴离子交换膜燃料电池，因为其在碱性条件下氧气的还原具有更高的反应效率，并且允许使用银等非贵金属作催化剂、对气体原料中的一氧化碳等也具有更好的耐受性。但是阴离子交换膜目前主要存在以下两个问题：离子电导率低；力学和化学稳定性较差。因为阴离子交换膜主要是以交换氢氧根为传输离子，而氢氧根离子尺寸比质子大，扩散系数仅为氢离子的1/4，且在整个聚合物体系内缺少由亲水-疏水基团构成的微相分离结构，未形成连续的离子传输通道。力学和化学稳定性较差是由于氢氧根具有强亲核性，会进攻膜材料上的缺电子基团，使得耐碱性变差，高分子主链容易发生断裂，从而力学性能下降。

在碱性燃料电池阴离子膜中，常用的功能化基团是季铵基团和季鏻基团，但是由于在碱性环境下，阳离子基团会发生降解反应，导致氢氧根离子的传导速率急速下降，从而影响电池的使用寿命和性能。因此在改进碱性阴离子膜碱稳定性的研究主要集中在以下三个方面：开发稳定的离子传导基团、优化离子基团与聚合物主链的连接方式、设计碱稳定性好的聚合物主链。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种咪唑型基团功能化的聚合物及其制备方法和应用，由于咪唑鎓离子具有共轭五元环结构以及咪唑环的空间位阻，使得咪唑作为碱性膜功能化基团具有优良的化学稳定性，在碱性燃料电池阴离子交换膜中具有很好的应用。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种咪唑型基团功能化的聚合物，所述的咪唑型基团功能化的聚合物如下通式I所示：