[发明专利]全氟双极膜及其制备方法

说明书

本发明属于高分子材料领域，尤其涉及全氟双极膜及其制备方法。本发明具体公开了一种全氟双极离子膜，所述双极膜包括全氟阳离子膜层、全氟两性离子膜中间层和全氟阴离子膜层的复合膜。所述双极膜主链结构均为全氟结构，保留了全氟离子聚合物的结构优势，具有优异的化学稳定性和离子电导率。双极膜中全氟阳离子膜层具有较高的离子交换容量和离子电导率；全氟阴离子膜层是采用液‑液反应制备得到的均质膜层。全氟两性离子膜中间层结构中的正电荷和负电荷基团可以形成酸碱离子配对，有助于提高阳离子膜和阴离子膜之间的相容性、离子传导率和离子选择性。

技术领域

本发明属于高分子材料领域，尤其涉及全氟双极膜及其制备方法。

背景技术

双极膜通常是由阴离子交换膜(AEMs)、阳离子交换膜复合而成的一种复合型离子交换膜，可以在不添加其他化学试剂的情况下实现将盐转化为酸碱产物的目标。由于双极膜在应用过程中具有低能耗高效率的特点，因而被广泛应用于从酸碱生产、清洁生产、电渗析、燃料电池、电解水产氢、环境保护到能源储存和转换的各个工业领域。离子膜作为双极膜的关键材料，其性能的优劣严重影响了双极膜的性能。

全氟磺酸离子膜作为阳离子交换膜的代表，是由杜邦公司上世纪70年代发明的，其分子结构包括全氟主链骨架-(CF₂CF₂)_m-(CF₂CF)_n-，和以磺酸基团(-SO₃^-)为端基的全氟醚结构侧链，典型的商用代表为系列离子膜。超稳定的主链骨架赋予了全氟磺酸离子膜优异的电化学性能。

鉴于全氟磺酸阳离子膜特别的化学结构，国内许多学者基于商用的膜来制备双极膜，例如伊利诺理工大学Vijay Ramani课题组采用季铵化聚苯醚作为AEMs与制备双极膜，并应用于燃料电池中(International Journal of HydrogenEnergy,2014,39(26):14312-14321)；中国专利CN105702991A公布了一种基于膜与季铵化聚砜膜热压成型制备了双极膜的方法。虽然上述双极膜表现出了不错的应用前景，但是目前常规的AEMs大多都是基于碳氢骨架的非氟离子膜如聚醚砜(CN106893103A)、聚苯醚(J.Mater.Chem.A,2018,6,15456-1547；Adv.Funct.Mater.,2018,28,1702758)或聚苯乙烯(J.Membr.Sci.,2017,536,133-140；CN113471498A)，所述基于碳氢骨架的非离子膜主链骨架中含有大量的碳氢键，例如-CH₃、-CH₂-、-C-O等，以上这些基团会被氢氧根离子进攻发生Hoffman降解，从而导致AEMs膜的降解失效。此外，目前碳氢类的离子膜与全氟磺酸离子膜之间兼容性较差，导致两者之间接触电阻较大，影响了离子传导效率；相比于全氟磺酸类离子膜，AEMs普遍存在着离子电导率低的问题，其性能还无法满足应用过程中对双极膜性能的要求，极大的限制了其应用发展。因此研发制备具有高稳定性、高离子传导率AEM成为双极膜制备急需解决的问题。