[发明专利]一种负载氢化芳杂环类季鏻阳离子单元的聚磷腈阴离子交换膜及其制备方法

说明书

一种负载氢化芳杂环类季鏻阳离子单元的聚磷腈阴离子交换膜及其制备方法，属于燃料电池用阴离子交换膜技术领域。所述阴离子交换膜为含有氢化芳杂环类季鏻阳离子单元的聚磷腈材料，结构如式(1)所示。所述阴离子交换膜是将带有酚羟基的氢化芳杂环类季鏻阳离子与聚二氯磷腈反应，得到负载氢化芳杂环类季鏻阳离子单元的聚磷腈材料，最后在模具中成膜并经过离子交换得到。本发明所提供的负载氢化芳杂环类季鏻阳离子类聚磷腈阴离子交换膜相比多数季铵阴离子交换膜具有更强的碱稳定性，有效降低了强碱环境下季鏻阳离子的降解问题，同时也具有较好的离子传导率。

技术领域

本发明属于燃料电池用阴离子交换膜技术领域。特别涉及一种包含氢化芳杂环类季鏻阳离子结构的阴离子交换膜及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一类用于固定和汽车应用的环保和高效的能量转换系统。作为新能源技术，燃料电池由于其高效率和低甚至零排放而显示出替代常规化石能源的巨大潜力。将化学能直接转化为电能并避免卡诺循环的局限性的燃料电池被认为是最有希望的发电技术之一。由于阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)技术相对于其他类型燃料电池具有多项优势，近年来成为研究热点之一。作为AEMFCs的关键组成部分之一，阴离子交换膜(AEMs)在分离阳极和阴极之间的燃料和阴离子传输过程中发挥着重要作用。对于已报道的以聚苯醚、聚亚芳基醚、聚砜、聚苯并咪唑等为主链的阴离子交换膜，存在刚性较大、不易成膜的缺陷。对于以季铵阳离子、季鏻阳离子、咪唑鎓、胍基阳离子为功能侧链的阴离子交换膜在碱性高温环境下易降解，导致离子传导性能显著下降，影响燃料电池的使用寿命。

不同于普通季鏻阳离子，氢化芳杂环类季鏻阳离子具有更大的位阻，使其包裹的季鏻阳离子不易受到OH^-进攻，体现出很强的耐碱性，将氢化芳杂环类季鏻阳离子单元负载在聚合物骨架上所制备的阴离子交换膜可以有效地增长其使用寿命。

与氢化芳杂环类季鏻阳离子有关的聚合物典型的公开报道文献和专利如下：

文献1(Phosphonium-Functionalized Polyethylene:A New Class of Base-Stable Alkaline Anion Exchange Membranes[J].Journal of the American ChemicalSociety,2012,134(44):18161-4.)公开的技术表明，利用四胺基季鏻阳离子和聚乙烯开环易位聚合制备阴离子交换膜。该AAEMs(氢氧化物电导率为22±1mS cm^-1)并在22℃15M KOH和在80℃的1M KOH中体现了它们的稳定性。本发明与该报道所选聚合物不同，报道中并没有涉及聚二磷腈作为聚合物主链，并且该报为环己胺基季鏻与本发明结构不同，并且合成过程也不同。

文献2(Tetrakis(dialkylamino)phosphonium Polyelectrolytes Prepared byReversible Addition–Fragmentation Chain Transfer Polymerization[J].ACS MacroLetters,2016,5(2):253-257.)公开的技术表明，将四(二烷基胺基)鏻阳离子负载到苯乙烯类单体上。其主要研究通过可逆加成-断裂链转移聚合制备的四(二烷基胺基)鏻聚电解质，并未涉及阴离子交换膜方向的研究。并且其研究的是环己胺基季鏻与本发明氢化芳杂环季鏻结构并不相同。

文献3(Extremely Base-Resistant Organic Phosphazenium Cations[J].Chemistry,2006,12(2):429-437.)公开的技术表明，该报道主要探究了在相转移条件下显示出非凡耐碱性的一系列全烷基化多胺基季鏻阳离子，但其并未涉及阴离子交换膜方向的研究。并且其报道的季鏻结构主要是环胺基季鏻与本发明氢化芳杂环季鏻结构不同。