一種噻唑功能化的堿性陰離子交換膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種陰離子交換膜及其制備方法，特別是涉及噻唑型基團作為功能化 基團的陰離子交換膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在過去的數(shù)十年中，許多學(xué)者致力于高效發(fā)電裝置的研宄，因此可以提供高能量 密度、較高能量轉(zhuǎn)化率和較低污染物排放的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)成為研宄的熱點，燃料電池就是 在這種技術(shù)的研宄中不斷得到發(fā)展的。燃料電池是一種可以將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能 的裝置，由于不發(fā)生燃燒反應(yīng)，能量轉(zhuǎn)化過程不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)化效率高且環(huán)境 友好。
[0003] 離子交換膜作為燃料電池的關(guān)鍵組件，不僅需要分隔陰陽兩極內(nèi)的燃料和氧化 劑，同時最重要的是作為介質(zhì)傳導(dǎo)離子，離子交換膜的選擇直接影響燃料電池的能量轉(zhuǎn)化 效率和使用壽命。根據(jù)傳導(dǎo)離子不同可以將其分為陰離子交換膜和陽離子交換膜：陽離子 交換膜傳導(dǎo)H+，陰離子交換膜傳導(dǎo)0!Γ。由于堿性環(huán)境下陽極氧化反應(yīng)速率高、原料液的滲 透率低，水管理相對簡單等優(yōu)點，堿性陰離子交換膜燃料電池被認為是優(yōu)于質(zhì)子交換膜燃 料電池的一種新型發(fā)電裝置，陰離子交換膜也因此成為研宄的熱點。傳統(tǒng)陰離子交換膜的 制備是在氯甲基化聚合物基質(zhì)中通過季銨化反應(yīng)引入離子交換基團。季銨化試劑的選擇決 定了季銨基團的電化學(xué)活性和穩(wěn)定性。
[0004] 目前，堿性燃料電池陰離子交換膜常用的功能化基團是季銨基團和季鱗基團，但 這些陽離子基團在堿性條件下可以通過霍夫曼消除反應(yīng)、葉立德機理或SN2雙分子親核取 代發(fā)生降解反應(yīng)，導(dǎo)致ΟΓ的傳導(dǎo)能力急速下降，從而影響了電池的使用壽命和性能。
[0005] 為了改善堿性燃料電池陰離子交換膜的化學(xué)穩(wěn)定性，咪唑作為功能化基團被接枝 到堿性膜中，由于咪唑鑰離子具有共軛五元雜環(huán)結(jié)構(gòu)以及咪唑環(huán)的空間位阻，使得咪唑作 為堿性膜功能化基團具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，為堿性燃料電池陰離子交換膜的研宄提供了 新的方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了在功能化基團方面進一步作出研宄，本發(fā)明提供了一種新型噻唑型基團作為 功能化試劑接枝到堿性陰離子交換膜上，其制備方法簡單易行，可操作性強，該方法制備的 陰離子交換膜離子傳導(dǎo)率較高，機械性能良好，具有在陰離子交換膜方面應(yīng)用的潛力。
[0007] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0008] 一種噻唑型基團功能化的陰離子交換膜，所述交換膜的功能化基團具有如下結(jié) 構(gòu)：
[0009]
【主權(quán)項】
.一種噻唑型基團功能化的陰離子交換膜，其特征在于，噻唑型基團功能化聚醚砜的 結(jié)構(gòu)如下：
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種噻唑型基團功能化的陰離子交換膜，其特征在于，功能 化基團的結(jié)構(gòu)如下：
3. 權(quán)利要求1或2所述的噻唑型基團功能化的陰離子交換膜的制備方法，其特征在于 以下步驟：聚醚砜溶解于98 %濃硫酸中，完全溶解后加入氯甲基化辛基醚，攪拌下進行反 應(yīng)；反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)物在水中沉淀，再用去離子水、無水乙醇將產(chǎn)品清洗至中性，產(chǎn)品經(jīng) 過抽濾、室溫晾干，得到氯甲基化聚醚砜； 氯甲基化聚醚砜的結(jié)構(gòu)簡式如下：
將氯甲基化聚醚砜溶解于有機溶劑中配制成溶液； 噻唑型基團投入到上述溶液中，在反應(yīng)溫度為60-100°C胺化處理，反應(yīng)時間為6-48h， 將鑄膜液進行重沉淀處理，除去鑄膜液中多余的噻唑型基團，用無水乙醇將膜材料清洗，再 用無水乙醇浸泡，產(chǎn)品經(jīng)過抽濾、室溫晾干，得到噻唑型基團功能化的膜材料，最后將膜材 料溶于有機溶劑中配成鑄膜液，鑄膜，得到噻唑型基團功能化的陰離子交換膜。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的噻唑型基團功能化的陰離子交換膜的制備方法，其特征在 于，所述的有機溶劑為N，N-二甲基乙酰胺、N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、N-甲基吡咯烷 酮、二氯乙烷、四氯乙烷、二氯甲烷、氯仿或混合溶液。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的噻唑型基團功能化的陰離子交換膜的制備方法，其特征在 于，所述重沉淀的沉淀劑為水、甲醇、乙醇、丙醇、乙醚、四氫呋喃、丙酮、丁酮、乙酸乙酯中的 一種或兩種以上的混合溶劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的噻唑型基團功能化的陰離子交換膜制備方法，其特征在于， 所述重沉淀的沉淀劑為水、甲醇、乙醇、丙醇、乙醚、四氫呋喃、丙酮、丁酮、乙酸乙酯中的一 種或兩種以上的混合溶劑。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種噻唑功能化的堿性陰離子交換膜及其制備方法。制備方法包括以下步驟：首先將聚醚砜進行氯甲基化改性，而后氯甲基與噻唑類化合物之間進行親核取代反應(yīng)，得到噻唑型基團功能化的陰離子交換膜。所制備的噻唑型基團功能化的陰離子交換膜具有較高的離子傳導(dǎo)率、適當?shù)奈省⒘己玫臋C械性能以及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點，在燃料電池用陰離子交換膜中具有很好的應(yīng)用前景。
【IPC分類】C08G75-23, H01M8-02, C08J5-22, H01M2-16
【公開號】CN104877137
【申請?zhí)枴緾N201510214127
【發(fā)明人】焉曉明, 楊堤, 賀高紅, 鄭文姬, 阮雪華, 戴健
【申請人】大連理工大學(xué)
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年4月30日