本技术属于聚合物电解质及离子交换膜技术领域,涉及一种交联型聚苯并咪唑阴离子交换膜及其制备方法,首先合成长侧链哌啶季铵盐和柔性双阳离子交联剂,之后利用2,3‑环氧丙基三甲基氯化铵或长侧链哌啶季铵盐与双阳离子分子交联剂对聚苯并咪唑进行功能化改性,最后通过溶液浇铸法制得交联型聚苯并咪唑阴离子交换膜;或者通过“后交联”的策略制备得到交联型聚苯并咪唑阴离子交换膜;制得的产品在聚苯并咪唑上同时接枝阳离子基团和柔性双阳离子交联剂,实现了阴离子交换膜离子电导率与溶胀率之间的平衡。本发明引入的长侧链哌啶阳离子基团和交联剂均有助于构建有序微相分离结构,形成网状结构;制得的产品离子电导率高及尺寸稳定性好。
背景技术
在能源短缺和环境恶化两大困境的威胁下,可持续清洁能源的开发日益迫切。于是氢能转化利用装置的研究受到了相当大的重视,并成为深入研究的重点。其中,燃料电池是利用清洁氢能进行环保高效的电化学过程发电的潜在装置,而水电解是清洁、可持续地分解水制氢的潜在装置。阴离子交换膜(anion exchange membranes,AEMs)作为阴离子交换膜燃料电池(anion exchange membrane water fuel cell,AEMFC)或阴离子交换膜水电解(anion exchange membrane water electrolysis,AEMWE)的核心材料之一,不仅隔绝阴阳电极,防止气体交叉,而且能够传导OH-
和水分子,隔绝电子。
阴离子交换膜主要由聚合物骨架和阳离子基团组成,目前AEM存在的主要问题包括以下三个方面:(1)相对较低的离子电导率。这是由于OH-
相比于H+
的半径大,相同条件下,离子电导率仅为质子交换膜中H+
的20~33%。(2)离子电导率和尺寸稳定性的权衡问题。提高阴离子交换膜离子电导率的直接途径是增加离子交换容量,但这会导致AEM的高吸水性和溶胀,这会进一步降低其尺寸稳定性和机械性能。(3)在碱性条件下,阴离子交换膜结构中的阳离子基团和聚合物主链可能发生化学降解,也就是碱性稳定性较差。针对以上问题,目前主要的解决方法包括构建有序的纳米微相分离结构、设计交联结构、设计选取耐碱的阳离子基团和聚合物主链和共混策略等。研究者希望通过以上方式,得到高离子电导率、高尺寸稳定性、良好的机械性能和化学稳定性的阴离子交换膜。
研究发现,聚苯并咪唑作为阴离子交换膜主链时,具有优异的热稳定性和化学稳定性,并且在高温或恶劣化学环境下保持结构稳定、不易降解。并且,聚苯并咪唑的机械强度高,能承受一定机械应力,保障膜的使用寿命和应用效果。此外,主链结构的可设计性强,通过化学修饰可引入离子交换基团,从而提高离子传导率。CN117964932A公开了一种聚砜交联聚苯并咪唑互穿网络阴离子交换膜,通过化学交联的方法,得到了较高的离子电导率和良好的尺寸稳定性的阴离子交换膜。其结构式如下:
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CN108623806A公开了一种带侧铵基的聚苯并咪唑的阴离子交换膜,该膜的侧链上含有多个铵基结构,而这种结构对于提升离子电导率起着至关重要的作用。其结构式如下:
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然而目前现有技术对于聚苯并咪唑的化学修饰集中在单一阳离子基团的接枝和与其他聚合物主链的交联,但是这可能会带来溶胀率较高或者离子电导率相对较低的问题。
因此,研究一种交联型聚苯并咪唑阴离子交换膜及其制备方法,以解决现有技术中存在的问题,具有十分重要的意义。
实现思路