[发明专利]咪唑类离子液体接枝SPEEK质子交换膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种咪唑类离子液体接枝SPEEK质子交换膜材料及其制备方法。

背景技术

离子液体（ionic liquids，简写为IL）是在室温或近于室温下呈液态的由阴阳离子组成的室温熔融盐，具有导电性、难挥发、不燃烧、电化学稳定、电化学稳定窗口比其它电解质水溶液大很多的特点。因此，将离子液体应用于电化学研究时可以减轻放电，作为电解质其使用温度也远远低于熔融盐。

质子交换膜（PEM）作为目前能源领域研究和开发的热点直接甲醇燃料电池（DMFC）的核心部件，主要起分割燃料和传导质子的作用，其性能的优劣直接决定着燃料电池的发展。

目前应用最广泛的是以Dupont公司的Nafion膜为代表的全氟磺酸膜，这种膜化学稳定性较好，其质子传导能力较强，但是其在使用温度超过80℃时，质子传导率明显下降，限制了全氟磺酸膜在燃料电池中的进一步应用，需进一步制备质子传导率高的质子交换膜。

近年来几种无氟类聚合物的PEM受到关注，其中磺化聚醚醚酮（SPEEK）膜在化学稳定性、高温特性、阻醇性能等方面均较为突出。采用磺化试剂对PEEK进行磺化，将磺酸基团引入到PEEK主链上，由于磺酸基亲水相与聚合物骨架上苯环、醚键等疏水相的存在，使得材料具有一定的质子传导率，且SPEEK材料相对成本较低、较高的机械强度、耐热性能及优异的阻醇性能可满足燃料电池对质子交换膜材料的要求，但是，此种材料的磺化度（DS）越高电导性能越好，相反其阻醇性能以及溶液稳定性却随之降低。因此，在对SPEEK质子交换膜改性的方案设计上，迫切需要对SPEEK磺化度及改性方式进行综合考虑，开发出一种成本低、电导率高、阻醇性能好的新型质子交换膜。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种咪唑类离子液体接枝磺化聚醚醚酮SPEEK质子交换膜材料。

本发明的目的之二在于提供该质子交换膜材料的制备方法。

为达到上述目的，本发明的反应机理为：

根据上述机理，本发明采用如下技术方案：

一种咪唑类离子液体接枝磺化聚醚醚酮质子交换膜材料，其特征在于该材料的结构式为：

其中m=1~6；n=1~6；R'为氢或含1~4个碳原子的烷基；R为含1~4个碳原子的烷基；X^-为：Cl^-、Br^-、I^-、BF₄^-、PF₆^-、HSO₄^-或CH₃COO^-。

一种制备上述咪唑类离子液体接枝磺化聚醚醚酮质子交换膜材料的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：

a.反应物的组成及质量百分比含量：

磺化度DS为30~90的磺化聚醚醚酮                     70.0%~99.5%

咪唑类离子液体                                       0.5%~30.0%；

b.将磺化度为30~90的磺化聚醚醚酮溶解在制膜溶剂中，配制成质量百分比浓度为4.0%~40.0%的制膜液；

c.在步骤b所得的制膜液中加入NaBH₄粉末，在50℃~100℃下，在惰性气氛保护下，搅拌反应10h~24h，其中NaBH₄粉末的质量占磺化聚醚醚酮质量的5.0%~15.0%；

d.在步骤c所得的制膜液中加入咪唑类离子液体，在100℃~120℃下，在惰性气氛保护下，搅拌反应10h~24h，其中咪唑类离子液体占质子交换膜总质量的0.5%~30.0%；

e.将步骤d所得的反应物冷却至室温，抽滤除去不溶物，干燥，即得到咪唑类离子液体接枝磺化聚醚醚酮质子交换膜材料。

所用的制膜溶剂为：N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或二甲基亚砜。

本发明所得咪唑类离子液体接枝磺化聚醚醚酮质子交换膜材料经流延或压制成膜，然后在10℃~80℃下挥发溶剂，得到湿膜；再将所得的湿膜在30℃~100℃下恒温干燥2h~72h；或者现在30℃~60℃下干燥10h~48h，再升温至60℃~100℃干燥4h~10h，得到咪唑类离子液体接枝磺化聚醚醚酮质子交换膜。

说明：