BR112020021926A2 - reticulação de polímeros aromáticos para membranas trocadoras de ânions - Google Patents

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Abstract

RETICULAÇÃO DE POLÍMEROS AROMÁTICOS PARA MEMBRANAS TROCADORAS DE ÂNIONS. Um material de membrana trocadora de íons é composto de uma rede de polímero reticulado incluindo um primeiro copolímero tribloco de poli(estireno-b-etileno-r-butileno-b-estireno) (SEBS), e segundo SEBS, e um ligador reticulando o primeiro SEBS e o segundo SEBS. Pelo menos um grupo fenila do primeiro SEBS e do segundo SEBS é funcionalizado com um grupo alquila, e o carbono na posição benzílica destes grupos alquila é saturado com pelo menos dois grupos alquila adicionais. O ligador é uma diamina ligada aos grupos funcionais alquila. O material da membrana trocadora de íons é produzido através de uma reação de quaternização e de reticulação substancialmente simultânea entre o ligador de diamina e SEBS funcionalizados com grupos haleto de alquila. O aumento da concentração de reticulador produz membranas com absorção de água reduzida, levando a uma previsão de estabilidade intensificada sob condições hidratadas e maior durabilidade. De modo vantajoso, esta redução na absorção de água é acompanhada de uma pequena modificação da capacidade de troca de íons.

Description

RETICULAÇÃO DE POLÍMEROS AROMÁTICOS PARA MEMBRANAS TROCADORAS DE ÂNIONS REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDO(S) RELACIONADO(S)
[001]Este pedido reivindica o benefício de Pedido Provisório U.S. No. 62/661.705, depositado em 24 de abril de 2018, que é incorporado por referência como se divulgado aqui em sua totalidade.
DECLARAÇÃO COM RELAÇÃO À PESQUISA OU DESENVOLVIMENTO PATROCINADO PELO GOVERNO FEDERAL
[002]Esta invenção foi realizada com apoio governamental sob a concessão no. DE-AR0000769 concedida pelo Departamento de Energia. O governo tem determinados direitos sobre a invenção.
FUNDAMENTO
[003]Membranas de troca alcalina (AEMs), também chamadas membranas trocadoras de ânions, permitem o transporte de ânions, por exemplo, OH-, Cl-, Br-, etc., de um catodo para um ânodo na reação eletroquímica. AEMs são um componente de células combustíveis AEM onde hidrogênio e oxigênio são usados para gerar eletricidade e água como subproduto. AEMs são usadas também na eletrólise da água onde a água se divide em hidrogênio e oxigênio com a ajuda da eletricidade, o processo mais limpo e o mais desejável de produção de hidrogênio. Em células combustíveis AEM e eletrólise de água, íons hidróxido (OH-) são transportados através da membrana com a ajuda de moléculas de água. Outras áreas de uso de AEMs incluem bateria, sensores e atuadores (membranas plásticas oscilam reversivelmente como um resultado de migração de íons).
[004]Ao longo dos últimos anos, vários grupos de pesquisa desenvolveram novos materiais de AEM. No entanto, estes materiais tendem de modo desvantajoso a degradar facilmente sob condições muito alcalinas. Atualmente, a maioria das AEMs de ânions são preparadas a partir de polímeros contendo grupo amônio quaternário ao longo das cadeias laterais. Infelizmente, estes grupos laterais iônicos interagem com água fortemente, que atua como um plastificante e causa amolecimento do polímero e intumescimento após hidratação.
SUMÁRIO
[005]Algumas modalidades da presente divulgação são dirigidas a um material de membrana trocadora de íons composto de uma rede de polímero reticulado incluindo um primeiro copolímero tribloco de poli(estireno-b-etileno-r- butileno-b-estireno) (SEBS), em que pelo menos um grupo fenila do primeiro SEBS é funcionalizado com um primeiro grupo alquila, e o carbono na posição benzílica do primeiro grupo alquila é saturado com pelo menos dois grupos alquila adicionais, um segundo copolímero tribloco de poli(estireno- b-etileno-r-butileno-b-estireno) (SEBS), em que pelo menos um grupo fenila do segundo SEBS é funcionalizado com um segundo grupo alquila, e o carbono na posição benzílica do segundo grupo alquila é saturado com pelo menos dois grupos alquila adicionais, e um ligador de diamina ligado ao primeiro grupo alquila e o segundo grupo alquila. Em algumas modalidades, pelo menos um grupo fenila do primeiro SEBS é funcionalizado com um grupo alquila não reticulado, o carbono na posição benzílica do grupo alquila não reticulado é saturado com pelo menos dois grupos alquila adicionais, o grupo alquila não reticulado incluindo um grupo amônio quaternário. Em algumas modalidades, pelo menos um grupo fenila do segundo SEBS é funcionalizado com um grupo alquila não reticulado, o carbono na posição benzílica do grupo alquila não reticulado é saturado com pelo menos dois grupos alquila adicionais, o grupo alquila não reticulado incluindo um grupo amônio quaternário. Em algumas modalidades, a concentração de ligador de diamina na rede de polímero reticulado é maior do que cerca de 5% em mol. Em algumas modalidades, a concentração de ligador de diamina na rede de polímero reticulado é maior do que cerca de 30% em mol. Em algumas modalidades, a concentração de ligador de diamina na rede de polímero reticulado é cerca de 50% em mol. Em algumas modalidades, o ligador de diamina é N,N,N,N’-tetrametil-1,6- hexanodiamina.
[006]Algumas modalidades da presente divulgação são dirigidas a um método de produzir uma membrana trocadora de íons incluindo funcionalizar um copolímero em bloco aromático com um ou mais grupos haleto de alquila, o carbono na posição benzílica do um ou mais grupos haleto de alquila sendo saturado com pelo menos dois grupos alquila adicionais, misturar o copolímero em bloco aromático funcionalizado com uma diamina para substituir um ou mais grupos haleto com um grupo amônio quaternário, e reticular o copolímero em bloco aromático funcionalizado com outro copolímero em bloco aromático funcionalizado por meio da diamina para criar um polímero reticulado. Em algumas modalidades, o ligador é um ligador de diamina, um poliol, um composto poliaromático, dímero de alceno, ditiol, ou combinações dos mesmos. Em algumas modalidades, a diamina tem dois grupos amina terciária. Em algumas modalidades, o método inclui adicionar trialquil amina ao polímero reticulado para converter grupos haleto de alquila não reagidos em grupos amônio quaternário. Em algumas modalidades, o copolímero em bloco aromático é um polímero de bifenila.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[007]Os desenhos mostram as modalidades da matéria divulgada para fins de ilustração da invenção. No entanto, deve ser entendido que o presente pedido não está limitado às disposições e instrumentalidades precisas mostradas nos desenhos, em que: Figura 1 é um desenho esquemático de um material de troca de íons para uso na produção de uma membrana trocadora de íons, de acordo com algumas modalidades da presente divulgação; Figura 2 é um gráfico de um método para produzir uma membrana trocadora de íons, de acordo com algumas modalidades da presente divulgação; Figura 3 é uma tabela mostrando diminuições na absorção de água com aumentos no reticulador nos materiais de troca de íons, de acordo com algumas modalidades da presente divulgação; Figura 4 é um gráfico de um método para produzir uma membrana trocadora de íons, de acordo com algumas modalidades da presente divulgação; Figura 5 é um gráfico de um método para produzir uma membrana trocadora de íons, de acordo com algumas modalidades da presente divulgação; Figura 6 é um gráfico de um método para produzir uma membrana trocadora de íons, de acordo com algumas modalidades da presente divulgação; Figura 7 é um gráfico de um método para produzir uma membrana trocadora de íons, de acordo com algumas modalidades da presente divulgação; Figura 8 é um gráfico de um método para produzir uma membrana trocadora de íons, de acordo com algumas modalidades da presente divulgação; e Figura 9 é um gráfico de um método para produzir uma membrana trocadora de íons de acordo com algumas modalidades da presente divulgação.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[008]Com referência agora à Figura 1, alguns aspectos da matéria divulgada incluem um material de troca de íons 100. Em algumas modalidades, o material de troca de íons é apropriado como uma membrana trocadora de íons para uso em, por exemplo, células combustíveis, sistemas de hidrólise de água, compressores de hidrogênio eletroquímicos, baterias, sensores, atuadores, etc. Em algumas modalidades, a membrana trocadora de íons é uma membrana trocadora de ânions.
[009]Em algumas modalidades, o material de troca de íons 100 inclui uma rede de polímero reticulado 102. Em algumas modalidades, a rede reticulada 102 inclui uma ou mais cadeias poliméricas 104 e um ou mais ligadores 106 ligando a uma ou mais cadeias poliméricas 104. Em algumas modalidades, cadeias poliméricas 104 são polímero, poliaromáticos, copolímeros, copolímeros em bloco, ou combinações dos mesmos. Em algumas modalidades, cadeias poliméricas 104 são funcionalizadas com um ou mais grupos funcionais.
[0010]Em algumas modalidades, uma ou mais de cadeias poliméricas 104 é copolímero tribloco de poli(estireno-b- etileno-r-butileno-b-estireno) (SEBS). Em algumas modalidades, pelo menos um grupo fenila de cadeias poliméricas 104, por exemplo, SEBS, é funcionalizado com pelo menos um grupo alquila. Em algumas modalidades, o carbono na posição benzílica do pelo menos um grupo alquila é saturado com pelo menos dois carbonos adicionais, grupos alquila, etc. Em algumas modalidades, o pelo menos um grupo alquila é um grupo haleto de alquila antes da reticulação em outra cadeia polimérica 104 através de um ou mais ligadores 106, como será discutido em maiores detalhes abaixo. Em algumas modalidades, ligadores 106 reticulam cadeias poliméricas 104 através de ligação entre os grupos funcionais alquila nas cadeias poliméricas. Em algumas modalidades, ligador 106 é uma diamina. Em algumas modalidades, a diamina inclui pelo menos dois grupos amina terciária com um grupo alquila disposto entre os mesmos. Em algumas modalidades, o ligador é N,N,N,N’-tetrametil-1,6-hexanodiamina. Em algumas modalidades, pelo menos um grupo fenila de rede reticulada 102 é funcionalizado com um grupo alquila não reticulado, o carbono na posição benzílica do grupo alquila não reticulado é saturado com pelo menos dois grupos alquila adicionais, o grupo alquila não reticulado incluindo um grupo amônio quaternário.
[0011]Em algumas modalidades, a concentração de ligador na rede de polímero reticulado é maior do que cerca de 5% em mol de grupo funcional alquila. Em algumas modalidades, a concentração de ligador na rede de polímero reticulado é maior do que cerca de 30% em mol de grupo funcional alquila. Em algumas modalidades, a concentração de ligador na rede de polímero reticulado é cerca de 50% em mol de grupo funcional alquila. Em algumas modalidades, a concentração de ligador na rede de polímero reticulado é maior do que cerca de 50%
em mol de grupo funcional alquila.
[0012]A título de exemplo, e ainda com referência à Figura 1, rede de polímero reticulado 102 inclui uma primeira cadeia de SEBS 104, em que pelo menos um grupo fenila do primeiro SEBS é funcionalizado com um primeiro grupo alquila, e o carbono na posição benzílica do primeiro grupo alquila é saturado com pelo menos dois grupos alquila adicionais. A primeira cadeia de SEBS 104 é reticulada com uma segunda cadeia de SEBS 104', em que pelo menos um grupo fenila do segundo SEBS é funcionalizado com um segundo grupo alquila, e o carbono na posição benzílica do segundo grupo alquila é saturado com pelo menos dois grupos alquila adicionais. Um ligador de diamina 106 é ligado ao primeiro grupo alquila e ao segundo grupo alquila, resultando na estrutura de acordo com a fórmula I: (fórmula I) em que R1 inclui H ou CH3 e R2 inclui CH3.
[0013]Com referência agora à Figura 2, algumas modalidades da presente divulgação são dirigidas a um método,
por exemplo, uma via de reação, para produzir uma membrana trocadora de íons. Em 202, um copolímero em bloco aromático, por exemplo, SEBS, é funcionalizado com um ou mais grupos haleto de alquila. Em algumas modalidades, o carbono na posição benzílica do um ou mais grupos haleto de alquila é saturado com pelo menos dois grupos alquila adicionais. Em 204, o copolímero em bloco aromático funcionalizado é misturado com um ligador para substituir um ou mais grupos haleto com grupos amônio quaternário e reticular o copolímero em bloco aromático funcionalizado com outro copolímero em bloco aromático funcionalizado através do ligador para criar uma rede de polímero reticulado. Em 206, grupos haleto de alquila não reagidos são convertidos em grupos amônio quaternário através da adição de trialquil amina. Com referência à Figura 3, quanto maior a concentração (% em mol) de ligador, menor a absorção de água da rede e, assim, da membrana.
[0014]Com referência novamente à Figura 1, em algumas modalidades, uma ou mais cadeias poliméricas 104 é um polímero em bloco de bifenila. Em algumas modalidades, o polímero em bloco de bifenila é funcionalizado com um ou mais grupos alquila. Em algumas modalidades, ligadores 106 reticulam o polímero em bloco de bifenila através da ligação entre os grupos funcionais alquila nas cadeias. Em algumas modalidades, o ligador é um ligador de diamina, um poliol, um composto poliaromático, dímero de alceno, ditiol, ou combinações dos mesmos, como será discutido em maiores detalhes abaixo. Em algumas modalidades, a concentração de ligador na rede de polímero em bloco de bifenila reticulado é maior do que cerca de 5% em mol de grupo funcional alquila.
Em algumas modalidades, a concentração de ligador na rede de polímero em bloco de bifenila reticulado é maior do que cerca de 30% em mol de grupo funcional alquila. Em algumas modalidades, a concentração de ligador na rede de polímero reticulado em bloco de bifenila é cerca de 50% em mol de grupo funcional alquila. Em algumas modalidades, a concentração de ligador na rede de polímero reticulado em bloco de bifenila é maior do que cerca de 50% em mol de grupo funcional alquila. Em algumas modalidades, pelo menos um grupo funcional alquila não é reticulado e inclui um grupo amônio quaternário.
[0015]Com referência agora à Figura 4, em algumas modalidades, um ou mais polímeros em bloco de bifenila é funcionalizado com grupos haleto de alquila. Em algumas modalidades, o um ou mais polímeros em bloco de bifenila são misturados, por exemplo, fundidos, com um ligador, por exemplo, uma diamina, passando por uma reação de quaternização e de reticulação substancialmente simultânea e reticulando os outros polímeros em bloco de bifenila. Em algumas modalidades, grupos haleto de alquila não reagidos são convertidos em grupos amônio quaternário através de adição de trialquil amina.
[0016]Com referência agora à Figura 5, em algumas modalidades, um ou mais polímeros em bloco de bifenila é funcionalizado com grupos haleto de alquila. Em algumas modalidades, uma mistura de trialquil aminas e dialquil aminas é adicionada aos polímeros em bloco de bifenila para converter o halogênio nos grupos haleto de alquila em uma mistura de amônio quaternário e grupos amina terciária. Em algumas modalidades, o um ou mais polímeros em bloco de bifenila são misturados, por exemplo, fundidos, com um ligador, por exemplo, uma diamina, passando por uma reação de quaternização e de reticulação substancialmente simultânea e reação de reticulação nos grupos amina terciária.
[0017]Com referência agora à Figura 6, em algumas modalidades, um ou mais polímeros em bloco de bifenila é funcionalizado com grupos haleto de alquila. Em algumas modalidades, o um ou mais polímeros em bloco de bifenila são misturados, por exemplo, fundidos, com um poliol tal como um diol ou um triol, passando por uma reação de eterificação e reticulação com outros polímeros em bloco de bifenila. Em algumas modalidades, grupos haleto de alquila não reagidos são convertidos em grupos amônio quaternário através da adição de trialquil amina.
[0018]Com referência agora à Figura 7, em algumas modalidades, um ou mais polímeros em bloco de bifenila é funcionalizado com grupos haleto de alquila. Em algumas modalidades, o um ou mais polímeros em bloco de bifenila são reagidos com uma base para converter pelo menos alguns halogênios em um grupo vinila. Em algumas modalidades, o grupo vinila passa por uma reação de reticulação através de uma alquilação de Fridel-Crafts catalisada por ácido com um composto poliaromático de modo que um anel aromático serve como um ligador entre os polímeros em uma rede de polímero reticulado. Em algumas modalidades, o composto poliaromático inclui um composto de bifenila, um composto de difeniléter, um composto de tripticeno, um fluoreno ou composto derivado de fluoreno, etc., ou combinações dos mesmos. Em algumas modalidades, grupos haleto de alquila não reagidos são convertidos em grupos amônio quaternário através da adição de trialquil amina.
[0019]Com referência agora à Figura 8, em algumas modalidades, um ou mais polímeros em bloco de bifenila é funcionalizado com grupos haleto de alquila. Em algumas modalidades, o um ou mais polímeros em bloco de bifenila são reagidos com uma base para converter pelo menos alguns halogênios em um grupo vinila. Em algumas modalidades, o um ou mais polímeros em bloco de bifenila são então irradiados com UV, causando dimerização entre os grupos vinila como um anel ciclobutano, que serve como um ligador entre os polímeros em uma rede de polímero reticulado. Em algumas modalidades, grupos haleto de alquila não reagidos são convertidos em grupos amônio quaternário através da adição de trialquil amina.
[0020]Com referência agora à Figura 9, em algumas modalidades, um ou mais polímeros em bloco de bifenila é funcionalizado com grupos haleto de alquila. Em algumas modalidades, o um ou mais polímeros em bloco de bifenila são reagidos com uma base para converter pelo menos alguns halogênios em um grupo vinila. Em algumas modalidades, o grupo vinila passa por uma reação de reticulação através de irradiação de UV e adição de um ditiol. A reação tiol-eno resultante reticula os polímeros na rede de polímero reticulado onde o ditiol serve como o ligador. Em algumas modalidades, o ditiol é um alquil ditiol, por exemplo, SH- (CH2)n)-SH. Em algumas modalidades, grupos haleto de alquila não reagidos são convertidos em grupos amônio quaternário através da adição de trialquil amina.
[0021]Métodos da presente divulgação são vantajosos como uma abordagem versátil para preparar membranas trocadoras de íons e ligantes de ionômero a partir de quaisquer copolímeros de estireno funcionalizados com grupos haleto de alquila. As condições de reação são simples e as próprias reações podem ser realizadas em uma quantidade relativamente baixa de etapas, já que quaternização e reticulação ocorrem substancialmente simultaneamente. Adicionalmente, o simples aumento da concentração de reticulador nas reações descritas aqui produziu membranas com absorção de água reduzida, levando a uma previsão de estabilidade intensificada sob condições hidratadas e maior durabilidade. De modo vantajoso, esta redução na absorção de água é acompanhada de uma pequena modificação da capacidade de troca de íons. As redes de polímero reticulado consistentes com as modalidades da presente divulgação são utilizáveis para aplicações tais como baterias, células combustíveis de membrana trocadora de ânions, eletrólise de membrana trocadora de ânions, ionômero para células combustíveis e eletrólise, membrana e ionômero para outros dispositivos de conversão de energia eletroquímica, purificação de água, separação de gás (particularmente CO2 de instalações de geração de energia por queima de carvão), etc.
[0022]Embora a matéria divulgada tenha sido descrita e ilustrada com relação às modalidades da mesma, deve ser entendido pelos versados na técnica que aspectos das modalidades divulgadas podem ser combinados, reorganizados, etc., para produzir modalidades adicionais dentro do escopo da invenção, e que várias outras mudanças, omissões e adições podem ser feitas sobre e na mesma, sem sair do espírito e escopo da presente invenção.

Claims (20)

REIVINDICAÇÕES
1. Material de membrana trocadora de íons, caracterizado pelo fato de que compreende: uma rede de polímero reticulado incluindo: um primeiro copolímero tribloco de poli(estireno-b- etileno-r-butileno-b-estireno) (SEBS), em que pelo menos um grupo fenila do primeiro SEBS é funcionalizado com um primeiro grupo alquila, e o carbono na posição benzílica do primeiro grupo alquila é saturado com pelo menos dois grupos alquila adicionais; um segundo copolímero tribloco de poli(estireno-b- etileno-r-butileno-b-estireno) (SEBS), em que pelo menos um grupo fenila do segundo SEBS é funcionalizado com um segundo grupo alquila, e o carbono na posição benzílica do segundo grupo alquila é saturado com pelo menos dois grupos alquila adicionais; e um ligador de diamina ligado ao primeiro grupo alquila e ao segundo grupo alquila.
2. Material, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um grupo fenila do primeiro SEBS é funcionalizado com um grupo alquila não reticulado, o carbono na posição benzílica do grupo alquila não reticulado sendo saturado com pelo menos dois grupos alquila adicionais, o grupo alquila não reticulado incluindo um grupo amônio quaternário.
3. Material, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um grupo fenila do segundo SEBS é funcionalizado com um grupo alquila não reticulado, o carbono na posição benzílica do grupo alquila não reticulado sendo saturado com pelo menos dois grupos alquila adicionais, o grupo alquila não reticulado incluindo um grupo amônio quaternário.
4. Material, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a concentração de ligador de diamina na rede de polímero reticulado é maior do que cerca de 5% em mol.
5. Material, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a concentração de ligador de diamina na rede de polímero reticulado é maior do que cerca de 30% em mol.
6. Material, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a concentração de ligador de diamina na rede de polímero reticulado é cerca de 50% em mol.
7. Material, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ligador de diamina é N,N,N,N’- tetrametil-l,6-hexanodiamina.
8. Material, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o polímero reticulado inclui a estrutura de acordo com a fórmula I:
(fórmula I) em que R1 inclui H ou CH3 e R2 inclui CH3.
9. Método para produzir uma membrana trocadora de íons, caracterizado pelo fato de que compreende: funcionalizar um copolímero em bloco aromático com um ou mais grupos haleto de alquila, o carbono na posição benzílica do um ou mais grupos haleto de alquila sendo saturado com pelo menos dois grupos alquila adicionais; misturar o copolímero em bloco aromático funcionalizado com uma diamina para substituir um ou mais grupos haleto com um grupo amônio quaternário; e reticular o copolímero em bloco aromático funcionalizado com outro copolímero em bloco aromático funcionalizado através da diamina para criar um polímero reticulado.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente adicionar trialquil amina ao polímero reticulado para converter grupos haleto de alquila não reagidos em grupos amônio quaternário.
11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a concentração de ligador de diamina no polímero reticulado é maior do que cerca de 5% em mol.
12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a concentração de ligador de diamina no polímero reticulado é maior do que cerca de 50% em mol.
13. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o ligador de diamina inclui dois grupos amina terciária.
14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o ligador de diamina é N,N,N,N’-tetrametil-l,6-hexanodiamina.
15. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a membrana trocadora de íons inclui a estrutura de acordo com a fórmula I: (fórmula I) em que R1 inclui H ou CH3 e R2 inclui CH3.
16. Método para produzir uma membrana trocadora de íons, caracterizado pelo fato de que compreende: funcionalizar um copolímero em bloco aromático com um ou mais grupos haleto de alquila; reticular o copolímero em bloco aromático funcionalizado com outro copolímero em bloco aromático funcionalizado no um ou mais grupos haleto de alquila para criar um polímero reticulado através de um ligador; e tratar o polímero reticulado com trialquil amina para converter grupos haleto de alquila não reticulados em grupos amônio.
17. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que a concentração do ligador no polímero reticulado é maior do que cerca de 5% em mol.
18. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a concentração do ligador no polímero reticulado é cerca de 50% em mol.
19. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o copolímero em bloco aromático é um polímero de bifenila.
20. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o ligador é um ligador de diamina, um poliol, um composto poliaromático, dímero de alceno, ditiol, ou combinações dos mesmos.
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11236196B2 (en) 2014-11-18 2022-02-01 Rensselaer Polytechnic Institute Polymers and methods for their manufacture
ES2981366T3 (es) 2014-11-18 2024-10-08 Rensselaer Polytech Inst Nuevos polímeros y métodos para su fabricación
WO2018119020A1 (en) 2016-12-20 2018-06-28 Rensselaer Polytechnic Institute Proton exchange membrane material and methods of making the same
US20200238272A1 (en) 2017-07-06 2020-07-30 Rensselaer Polytechnic Institute Ionic functionalization of aromatic polymers for ion exchange membranes
US12027731B2 (en) 2018-11-26 2024-07-02 Rensselaer Polytechnic Institute Phosphate anion-quaternary ammonium ion pair coordinated polymer membranes
US20210347956A1 (en) * 2019-02-12 2021-11-11 Xergy Inc. Anion Exchange Ionomer With A Poyarylene Backbone and Anion Exchange Membrane Incorporating Same
US11969722B2 (en) 2019-06-26 2024-04-30 Ffi Ionix Ip, Inc. Anionic membranes incorporating functional additives
JP2023505051A (ja) 2019-11-25 2023-02-08 トゥエルブ ベネフィット コーポレーション COx還元用の膜電極接合体
JP2023503238A (ja) * 2019-11-26 2023-01-27 ダウ シリコーンズ コーポレーション ポリシロキサザンを作製するためのプロセス、及びアミノ官能性ポリオルガノシロキサンの製造のためのその使用
US11465139B2 (en) 2020-03-20 2022-10-11 Rensselaer Polytechnic Institute Thermally stable hydrocarbon-based anion exchange membrane and ionomers
WO2024005308A1 (ko) * 2022-06-28 2024-01-04 한화솔루션 주식회사 가교 공중합체, 이를 포함하는 고분자 막, 및 상기 고분자 막을 포함하는 음이온 교환막
IL301557A (en) * 2023-03-21 2024-10-01 Hydrolite Ltd Production of reinforced anion exchange membranes

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5180750A (en) * 1988-07-29 1993-01-19 Asahi Glass Company Ltd. Anion exchanger
JP6008870B2 (ja) * 2010-12-12 2016-10-19 ベン‐グリオン ユニバーシティ オブ ザ ネゲヴ リサーチ アンド デベロップメント オーソリティ 陰イオン交換膜、その調製方法および用途
US20150017566A1 (en) * 2012-02-29 2015-01-15 Tokuyama Corporation Catalyst Electrode Layer and Method for Producing Same
US10272424B2 (en) * 2014-07-22 2019-04-30 Rensselaer Polytechnic Institute Anion exchange membranes and polymers for use in same
ES2981366T3 (es) * 2014-11-18 2024-10-08 Rensselaer Polytech Inst Nuevos polímeros y métodos para su fabricación
GB2550018B (en) * 2016-03-03 2021-11-10 Xergy Ltd Anion exchange polymers and anion exchange membranes incorporating same
WO2019010290A1 (en) * 2017-07-06 2019-01-10 Rensselaer Polytechnic Institute IONIC FUNCTIONALIZATION OF AROMATIC POLYMERS FOR ION EXCHANGE MEMBRANES

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