CN108878939B - 一种交联型阴离子交换膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种交联型阴离子交换膜的制备方法,属于燃料电池技术领域。合成离子液体,通过门秀金反应合成离子液体;聚合物的接枝反应,通过威廉姆森成醚反应将离子液体和1‑溴十五烷接枝到聚合物上,得到离聚物;制备交联型阴离子交换膜,将离聚物溶于有机溶剂配制铸膜液,加入2,6‑双(羟甲基)‑4‑甲基苯酚作为交联剂,甲磺酸作为催化剂,经热处理得到交联型阴离子交换膜,并对其进行后续处理。以聚(4‑乙烯基)苯酚为主链,主链不含有醚键以及强吸电子基团,耐碱性比普通的聚芳醚类阴离子交换膜大大提高。通过在膜内引入交联结构,限制了所获得的阴离子交换膜的含水率和溶胀。制备的阴离子交换膜中所使用的方法工艺简单,可操作性强。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域,尤其是涉及一种交联型阴离子交换膜的制备方法。
背景技术
燃料电池(FC)是一种能通过电化学反应将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的新能源技术,它的出现为人们解决能源短缺和环境污染问题提供了一种新的思路。其中,以离子交换膜为电解质的聚合物燃料电池可以实现室温快速启动,并且具有运行温度低、功率密度高、体积小和应用范围广等优势而受到广泛的关注,成为目前的研究热点。
目前,根据离子交换膜的不同,可将聚合物电解质燃料电池分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)和阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)。质子交换膜(PEM)作为PEMFC的核心部件,目前应用最为广泛的燃料电池电解质膜是美国DuPont公司生产的117全氟磺酸型PEM。117膜具有较高的离子电导率和优异的化学稳定性,已经能满足燃料电池的使用。但是117膜依然面临着膜材料价格昂贵、高温下性能差以及甲醇渗透率大等缺点,限制了其在燃料电池中的广泛应用。相对于PEMFC,以阴离子交换膜(AEM)为电解质的AEMFC具有以下优点:(1)AEMFC可在碱性介质中工作,阴极的活性过电位较低,使得阴极的氧化还原速率较高,可以获得更高的电压;(2)可使用银、钴、镍、铁等非贵金属作为催化剂,使得AEMFC的成本也大大降低;(3)OH-的传输方向与燃料的渗透方向相反,可在一定程度上抑制甲醇的渗透,从而降低燃料的渗透性(Macromolecular chemistry and physics,2016,217,1108-1118)。然而,作为AEMFC的关键组件,相对于PEM,AEM又存在离子电导率低和耐碱性差的缺点,这些缺点直接影响了AEMFC的性能和使用寿命。因此,为了提高AEMFC的综合性能,提高AEM的离子电导率和耐碱性成为了目前的研究热点。
一方面,提高AEM的离子电导率最直接的方法就是提高膜的离子交换容量(IEC),也就是提高AEM膜内的离子功能基团的数量。然而,提高IEC不仅会提高离子电导率,还会使膜的含水率和溶胀大幅提高,从而造成膜的尺寸稳定性和机械性能大幅下降。研究发现,在膜内引入交联结构可获得高IEC的同时又能维持较低的含水率和溶胀。
另一方面,AEM的耐碱性主要是受离子交换基团和聚合物主链的耐碱性的影响。离子交换基团在碱性环境中易受到OH-的进攻,从而发生降解,使得AEM的电导率下降。而且在碱性的工作环境下,膜材料的主链也可能会发生降解,导致膜的机械性能下降,甚至膜破裂,特别是以聚芳醚类聚合物为主链的AEM。聚芳醚类聚合物因其有优良的热稳定性、机械性能、抗氧化性和成膜性常被用来作为膜材料。然而,当醚键附近存在有强吸电子基团,如砜基、羰基时,醚键在碱性环境下很容易降解(Macromolecules,2016,49,3361-3372)。因此,发明一种主链不含醚键和强吸电子基团的AEM可提高其耐碱性。
发明内容
本发明的目的在于提供可利用商业化的聚(4-乙烯基)苯酚为聚合物主链,具有优秀的耐碱性能、低含水率和溶胀的一种交联型阴离子交换膜的制备方法。
本发明包括以下步骤:
1)合成离子液体,通过门秀金反应合成离子液体,得到白色固体;
2)聚合物的接枝反应,通过威廉姆森成醚反应将离子液体和1-溴十五烷接枝到聚合物上,得到离聚物;
3)制备交联型阴离子交换膜,将离聚物溶于有机溶剂配制铸膜液,加入2,6-双(羟甲基)-4-甲基苯酚作为交联剂,甲磺酸作为催化剂,经热处理得到交联型阴离子交换膜,并对其进行后续处理。
在步骤1)中,所述制备离子液体的具体方法可为:
(1)将20mL1,6-二溴己烷、40mL四氢呋喃加入500mL容器,将温度控制在30℃;
(2)将80mL三甲胺水溶液加入250mL容器中,温度控制在30℃;
(3)用导管将上述2个容器连接;
(4)反应持续1h后,将三甲胺水溶液的温度升至40℃;
(5)反应持续1h后,将三甲胺水溶液的温度升至50℃;
(6)反应持续1h后,将三甲胺水溶液的温度升至60℃;
(7)反应持续1h后,将导管从1,6-二溴己烷和四氢呋喃溶液中撤离;
(8)反应持续24h后,通过过滤得到白色固体,用四氢呋喃洗涤3次后,真空干燥得到离子液体。
在步骤2)中,所述聚合物的接枝反应的方法可为:将1.00g聚(4-乙烯基)苯酚、20mL二甲基亚砜、4.27g碳酸铯、0.14g四丁基溴化铵、2.02g离子液体加入100mL容器中,将反应温度控制在100℃;回流24h后,继续加入0.61g1-溴十五烷;继续在100℃下反应24h后,将反应物在丙酮中沉淀,过滤之后用去离子水洗涤3次,真空干燥后,得到季胺化的离聚物;
所述离聚物的化学结构式如下:
其中,x︰y=0.25︰0.75。
在步骤3)中,所述交联型阴离子交换膜的制备方法如下:
将步骤2)中所得的离聚物和2,6-双(羟甲基)-4-甲基苯酚分别溶解于有机溶剂,将两种溶液混合,并在混合溶液中加入少量甲磺酸。将混合液超声振荡1h得到均匀的铸膜液,将铸膜液涂覆在铸膜板上,在120℃发生交联反应,随后将温度降至80℃缓慢蒸干溶剂,得到固态膜;
所述交联型阴离子交换膜的化学结构式为:
与现有技术相比,本发明的突出优点在于:
1)以聚(4-乙烯基)苯酚为主链,主链不含有醚键以及强吸电子基团,耐碱性比普通的聚芳醚类阴离子交换膜大大提高。
2)通过在膜内引入交联结构,限制了所获得的阴离子交换膜的含水率和溶胀。
3)制备的阴离子交换膜中所使用的方法工艺简单,可操作性强。
附图说明
图1为不同交联度的交联型阴离子交换膜的含水率比较。
图2为不同交联度的交联型阴离子交换膜的溶胀比较。
图3为实施例1中交联型阴离子交换膜的耐碱性能图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明,下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。
实施例1
首先合成离子液体。将20mL1,6-二溴己烷、40mL四氢呋喃加入500mL圆底烧瓶,将温度控制在30℃;将80mL三甲胺水溶液加入250mL圆底烧瓶,温度控制在30℃;用一根导管将上述两个烧瓶连接起来;反应持续1h后,将三甲胺水溶液的温度升至40℃;反应继续1h后,将三甲胺水溶液的温度升至50℃;反应继续1h后,将三甲胺水溶液的温度升至60℃;反应继续1h后,将导管从1,6-二溴己烷和四氢呋喃溶液中撤离;反应继续24h后,经过滤得到白色固体,用四氢呋喃洗涤3次后,真空干燥得到离子液体。
然后将1.00g聚(4-乙烯基)苯酚、20mL二甲基亚砜、4.27g碳酸铯、0.14g四丁基溴化铵、2.02g离子液体加入100mL圆底烧瓶中,将反应温度控制在100℃;回流24h后,继续加入0.61g1-溴十五烷。反应在100℃下持续24h后,将反应物在丙酮中沉淀,过滤之后将沉淀用去离子水洗涤3次。真空干燥,得到季胺化的离聚物。
最后将所得的离聚物溶解于二甲基亚砜溶液配制成质量分数为5wt%的铸膜液,同时也将2,6-双(羟甲基)-4-甲基苯酚溶解于二甲基亚砜溶液配制成质量分数为5wt%的溶液。分别选取离聚物溶液4mL和2,6-双(羟甲基)-4-甲基苯酚溶液0.1mL加入到10mL试管中,并在试管中加入几滴甲磺酸。超声振荡1h之后,将铸膜液涂覆在铸膜板上,置于120℃真空烘箱中保持1h发生交联反应,随后将温度降至80℃持续24h缓慢蒸干溶剂,得到固态膜。
实施例2
离子液体和离聚物的制备与实施例1相同。然后将所得的离聚物溶解于二甲基亚砜溶液中配制成质量分数为5wt%的铸膜液,同时也将2,6-双(羟甲基)-4-甲基苯酚溶解在二甲基亚砜溶液中配制成质量分数为5wt%的溶液。分别选取离聚物溶液4mL和2,6-双(羟甲基)-4-甲基苯酚溶液0.2mL加入到10mL试管中,并在试管中加入几滴甲磺酸。超声振荡1h之后,将铸膜液涂覆在铸膜板上,置于120℃真空烘箱中持续1h发生交联反应,随后将温度降至80℃保持24h缓慢蒸干溶剂,得到固态膜。
实施例3
离子液体和离聚物的制备与实施例1相同。然后将所得的离聚物溶解于二甲基亚砜溶液中配制成质量分数为5wt%的铸膜液,同时也将2,6-双(羟甲基)-4-甲基苯酚溶解在二甲基亚砜溶液中配制成质量分数为5wt%的溶液。分别选取离聚物溶液4mL和2,6-双(羟甲基)-4-甲基苯酚溶液0.4mL加入到10mL试管中,并在试管中加入几滴甲磺酸。超声振荡1h之后,将铸膜液涂覆在铸膜板上,置于真空烘箱中,先在120℃下持续1h发生交联反应,随后将温度降至80℃保持24h缓慢蒸干溶剂,得到固态膜。
实施例4
离子液体和离聚物的制备与实施例1相同。然后将所得的离聚物溶解于二甲基亚砜溶液中配制成质量分数为5wt%的铸膜液,同时也将2,6-双(羟甲基)-4-甲基苯酚溶解在二甲基亚砜溶液中配制成质量分数为5wt%的溶液。分别选取离聚物溶液4mL和2,6-双(羟甲基)-4-甲基苯酚溶液0.7mL加入到10mL试管中,并在试管中加入几滴甲磺酸。超声振荡1h之后,将铸膜液涂覆在铸膜板上,置于真空烘箱中,先在120℃下持续1h发生交联反应,随后将温度降至80℃保持24h缓慢蒸干溶剂,得到固态膜。
不同交联度的交联型阴离子交换膜的含水率比较参见图1,不同交联度的交联型阴离子交换膜的溶胀比较参见图2,实施例1中交联型阴离子交换膜的耐碱性能图参见图3。
本发明通过1,6-二溴己烷和三甲胺蒸汽反应得到离子液体,再将该离子液体和1-溴十五烷接枝到聚(4-乙烯基)苯酚上合成离聚物,然后在铸膜液中加入交联剂溶液和催化剂,经热处理制备阴离子交换膜。所制备的阴离子交换膜主链不含醚键和强吸电子基团,因此具有优秀的耐碱性能,而且通过在膜内引入交联结构大大限制了膜的含水率和溶胀。本发明中所涉及的制备过程工艺简单,可操作性强。
Claims (3)
1.一种交联型阴离子交换膜的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)合成离子液体,通过门秀金反应合成离子液体,得到白色固体;
2)聚合物的接枝反应,通过威廉姆森成醚反应将离子液体和1-溴十五烷接枝到聚合物上,得到离聚物;所述聚合物的接枝反应的方法为:将1.00g聚(4-乙烯基)苯酚、20mL二甲基亚砜、4.27g碳酸铯、0.14g四丁基溴化铵、2.02g离子液体加入100mL容器中,将反应温度控制在100℃;回流24h后,继续加入0.61g1-溴十五烷;继续在100℃下反应24h后,将反应物在丙酮中沉淀,过滤之后用去离子水洗涤3次,真空干燥后,得到季胺化的离聚物;
所述离聚物的化学结构式如下:
其中,x︰y=0.25︰0.75;
3)制备交联型阴离子交换膜,将离聚物溶于有机溶剂配制铸膜液,加入2,6-双(羟甲基)-4-甲基苯酚作为交联剂,甲磺酸作为催化剂,经热处理得到交联型阴离子交换膜;
所述交联型阴离子交换膜的化学结构式为:
2.如权利要求1所述一种交联型阴离子交换膜的制备方法,其特征在于在步骤1)中,所述合成 离子液体的具体方法为:(1)将20mL1,6-二溴己烷、40mL四氢呋喃加入500mL容器,将温度控制在30℃;(2)将80mL三甲胺水溶液加入250mL容器中,温度控制在30℃;(3)用导管将上述2个容器连接;(4)反应持续1h后,将三甲胺水溶液的温度升至40℃;(5)反应持续1h后,将三甲胺水溶液的温度升至50℃;(6)反应持续1h后,将三甲胺水溶液的温度升至60℃;(7)反应持续1h后,将导管从1,6-二溴己烷和四氢呋喃溶液中撤离;(8)反应持续24h后,通过过滤得到白色固体,用四氢呋喃洗涤3次后,真空干燥得到离子液体。
3.如权利要求1所述一种交联型阴离子交换膜的制备方法,其特征在于在步骤3)中,所述交联型阴离子交换膜的制备方法如下:
将步骤2)中所得的离聚物和2,6-双(羟甲基)-4-甲基苯酚分别溶解于有机溶剂,将两种溶液混合,并在混合溶液中加入少量甲磺酸;将混合液超声振荡1h得到均匀的铸膜液,将铸膜液涂覆在铸膜板上,在120℃发生交联反应,随后将温度降至80℃缓慢蒸干溶剂,得到固态膜。
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