CN107266629B - 一种聚合物阴离子交换膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于用于燃料电池的阴离子交换膜制备领域,特别涉及一种聚合物阴离子交换膜的制备方法:将双阳离子咪唑盐与基膜单体、引发剂、交联剂混合充分后在加热状态下搅拌反应至混合物成粘稠状液体,再放到紫外光下聚合成膜。克服了现有方法制膜时双阳离子咪唑盐析出并出现宏观相分离的问题,保证了双阳离子咪唑盐的含量较高且成膜均匀。
Description
技术领域
本发明属于用于燃料电池的阴离子交换膜制备领域,特别涉及一种聚合物阴离子交换膜的制备方法。
背景技术
近年来,由于化石燃料供应的不足以及降低CO2排放的需要,聚合物电解质膜燃料电池因其高效、环保等优点受到了广泛关注。与已商业化的质子交换膜燃料电池(PEMFC)相比,碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)领域具有更大的研究潜力。
阴离子交换膜(AEM)作为AEMFC的关键组成部分,在AEMFC中起着分隔燃料与氧化剂及传输阴离子(OH-)的作用,其性能优劣会直接影响AEMFC的各项性能。因此,研发具备有较高的电导率的AEM对AEMFC的发展具有重大意义。AEM的电导率与离子交换容量、吸水率及温度有关,一般来讲,温度一定时离子交换容量越大,AEM的电导率越高。
发明内容
本发明提供一种热聚合与紫外光聚合相结合的聚合物阴离子交换膜的制备方法,克服了现有制膜方法中咪唑盐单体溶解度较低且易析出的问题,通过简单、环境友好的制膜方法,制备出了一种具备较高离子交换容量和较高电导率的阴离子交换膜,
聚合物阴离子交换膜的化学结构如下:
其中x、y、z为高分子链中各重复单元的个数,是整数且不为0;FM为功能单体,结构如下
其中m、n为烷烃中C的个数,是整数且不为0,
该聚合物阴离子交换膜的制备方法为:
(1)双阳离子咪唑盐的制备
向盛有溶剂的容器中加入反应原料,长时间搅拌反应后,经充分提纯得到双阳离子咪唑盐,
其中,溶剂为乙酸乙酯、乙醇或乙腈,
(2)成膜
将步骤(1)中得到的双阳离子咪唑盐与基膜单体、引发剂、交联剂混合充分后在加热状态下搅拌反应至混合物成粘稠状液体,再放到紫外光下聚合成膜,可直接应用于燃料电池领域,
其中,基膜单体为苯乙烯和丙烯腈质量比为1:3的混合物。
本发明采用热聚合与紫外光聚合相结合的制膜方法,利用双阳离子咪唑盐在高温下的高溶解度,先升温进行部分热聚合,再降至常温后进行完全紫外光聚合,发现虽然双阳离子咪唑盐在反应开始前的溶解度较低(常温下无法完全溶解到成膜体系中),但是当加热反应完成部分热聚合后再降至常温时,却已经没有了先前的双阳离子咪唑盐析出的情况,此时再紫外光聚合完全;
又由于丙烯腈易挥发且沸点只有77℃,而热聚合的温度在70℃左右,且热聚合反应比较缓慢,假设全程采用热聚合,会造成由丙烯腈单体挥发而引起的成品膜中各物质含量达不到理想比例的现象。
本发明克服了现有方法制膜时双阳离子咪唑盐析出并出现宏观相分离的问题,制备过程简单环保,对技术设备要求不高,制备出的阴离子交换膜中,双阳离子咪唑盐的含量较高且成膜均匀,保证了较高的离子交换容量和离子电导率。
附图说明
图1为实施例1所制备的双阳离子咪唑盐的1H NMR谱图。
图2为对比实施例1获得的双阳离子咪唑盐质量含量约为10%时的OH-型阴离子交换膜的成膜照片:双阳离子咪唑盐析出,出现明显的宏观相分离现象。
图3为实施例2获得的双阳离子咪唑盐质量含量约为60%时的OH-型阴离子交换膜的成膜照片:膜形貌分布均一,未出现宏观相分离现象。
具体实施方式
实施例1
双阳离子咪唑盐的制备
(1)在圆底烧瓶中加入30ml乙酸乙酯作为溶剂,再依次加入1-丁基咪唑(6.21g,0.05mol)和1,6-二溴己烷(12.20g,0.05mol),在常温(25℃,下同)下轻微搅拌反应12h后,在60℃下旋蒸去除溶剂,得到淡白色粘稠油状粗产物,然后分别用乙酸乙酯和乙醚洗涤数次,再次旋蒸去除洗涤溶剂,得到无色透明粘稠油状产物;
(2)在圆底烧瓶中依次加入步骤(1)中产物(3.682g,10mmol)和1-乙烯基咪唑(1.129g,12mmol),常温下搅拌反应48h,将所得的淡白色粘稠油分别用乙酸乙酯和无水乙醚洗涤数次,旋蒸去除洗涤溶剂,得到白色粉末,然后真空干燥24h,得到双阳离子咪唑盐,1H NMR谱图如图1所示,11号位置的活泼氢无法显示,其他各峰的位置、峰面积的比例及特征峰的峰形均表明功能单体成功合成。
对比实施例1
将实施例1中制得的双阳离子咪唑盐与苯乙烯、丙烯腈、DVB、安息香乙醚(苯乙烯、丙烯腈的质量比为1:3)共混成反应体系,其中,DVB占反应体系总质量的4%,安息香乙醚占反应体系总质量的1%,充分搅拌并进行超声处理,得到混合均匀的溶液,然后将其浇铸到玻璃模具中,在常温下250nm紫外光照射聚合成膜40min得到Br-型阴离子交换膜,再浸泡到60℃的1M KOH溶液中36h进行阴离子交换(Br-转换为OH-),最后在去离子水中浸泡24h去除表面的KOH,得到OH-型阴离子交换膜,如图2所示,当双阳离子咪唑盐含量超过反应体系总质量的10%时,就会出现明显的宏观相分离现象。
本实施例获得的OH-型阴离子交换膜最高双阳离子咪唑盐质量含量约为10%,此时离子交换容量为0.42mmol·g-1,室温下离子传导率为6.23mS·cm-1,80℃下离子传导率为19.67mS·cm-1。
实施例2
将实施例1中制得的双阳离子咪唑盐与苯乙烯、丙烯腈(双阳离子咪唑盐、苯乙烯、丙烯腈的质量比为6:1:3)、DVB、安息香乙醚共混成反应体系,其中,DVB占反应体系总质量的4%,安息香乙醚占反应体系总质量的1%,混合充分(但双阳离子咪唑盐未完全溶解)后在70℃下均匀搅拌反应10分钟形成粘稠状液体,并倒在玻璃模具中,降至常温后却发现没有出现先前的双阳离子咪唑盐析出的情况,再采用250nm紫外光照射聚合成膜30min得到Br-型阴离子交换膜,再浸泡到60℃的1M KOH溶液中36h进行阴离子交换(Br-转换为OH-),最后在去离子水中浸泡24h去除表面的KOH,得到OH-型阴离子交换膜,如图3所示,使用该制膜方法时,未出现宏观相分离现象。
本实施例获得的OH-型阴离子交换膜中双阳离子咪唑盐质量含量约为60%,离子交换容量为2.57mmol·g-1,室温下离子传导率为25.98mS·cm-1,80℃下离子传导率为96.32mS·cm-1。
实施例3
在圆底烧瓶中加入30ml乙醇作为溶剂,再依次加入1-丁基咪唑(2.0g,16.10mmol)和1,4-二溴丁烷(16.10mmol),在常温下轻微搅拌反应12h后,采用实施例1的提纯方法提纯,然后加入1-乙烯基咪唑(1.819g,19.33mmol)常温搅拌24h,采用实施例1的相应提纯方法提纯得到双阳离子咪唑盐;
将本实施例制得的双阳离子咪唑盐与苯乙烯、丙烯腈(双阳离子咪唑盐、苯乙烯、丙烯腈的质量比为6:1:3)、DVB、安息香乙醚共混成反应体系,其中,DVB占反应体系总质量的4%,安息香乙醚占反应体系总质量的1%,参照实施例2的制膜方法制得OH-型阴离子交换膜。
本实施例获得的OH-型阴离子交换膜中双阳离子咪唑盐质量含量约为60%,离子交换容量为2.76mmol·g-1,室温下离子传导率为34.63mS·cm-1,80℃下离子传导率为102.15mS·cm-1。
实施例4
在圆底烧瓶中加入30ml乙酸乙酯作为溶剂,再依次加入1-己基咪唑(2.0g,13.14mmol)和1,6-二溴己烷(13.14mmol),在40℃油浴中搅拌反应6h后,采用实施例1的提纯方法提纯,然后加入1-乙烯基咪唑(1.484g,15.77mmol)常温搅拌48h,采用实施例1的相应提纯方法提纯得到双阳离子咪唑盐;
将本实施例制得的双阳离子咪唑盐与苯乙烯、丙烯腈(双阳离子咪唑盐、苯乙烯、丙烯腈的质量比为4:1:3)、DVB、安息香乙醚共混成反应体系,其中,DVB占反应体系总质量的4%,安息香乙醚占反应体系总质量的1%,参照实施例2的制膜方法制得OH-型阴离子交换膜。
本实施例获得的OH-型阴离子交换膜中双阳离子咪唑盐质量含量约为50%,离子交换容量为2.04mmol·g-1,室温下离子传导率为16.23mS·cm-1,80℃下离子传导率为64.27mS·cm-1。
Claims (4)
1.聚合物阴离子交换膜的制备方法,其特征在于:所述的制备方法为,
(1)双阳离子咪唑盐的制备
向盛有溶剂的容器中加入反应原料,长时间搅拌反应后,经充分提纯得到双阳离子咪唑盐;
(2)成膜
将步骤(1)中得到的双阳离子咪唑盐与基膜单体、引发剂、交联剂混合充分后在70℃下均匀搅拌反应10分钟至混合物成粘稠状液体,再放到紫外光下聚合成膜;
所述的聚合物阴离子交换膜的化学结构为
其中x、y、z为高分子链中各重复单元的个数,是整数且不为0;
所述的FM结构如下
其中m、n为烷烃中C的个数,是整数且不为0。
2.如权利要求1所述的聚合物阴离子交换膜的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述的溶剂为乙酸乙酯、乙醇或乙腈。
3.如权利要求1所述的聚合物阴离子交换膜的制备方法,其特征在于:步骤(2)中所述的基膜单体为苯乙烯和丙烯腈的混合物。
4.如权利要求3所述的聚合物阴离子交换膜的制备方法,其特征在于:苯乙烯和丙烯腈的质量比为1:3。
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Title |
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"Bis-imidazolium-based anion-exchange membranes for alkaline fuel cells";Qiu B et.al.,;《Journal of Power Sources》;20120616;第217卷;第329-335页 * |
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Publication number | Publication date |
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CN107266629A (zh) | 2017-10-20 |
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