CN115181420A - 一种含亲水辅助基团的离子溶剂膜及其制备方法和应用 - Google Patents
一种含亲水辅助基团的离子溶剂膜及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115181420A CN115181420A CN202210843422.XA CN202210843422A CN115181420A CN 115181420 A CN115181420 A CN 115181420A CN 202210843422 A CN202210843422 A CN 202210843422A CN 115181420 A CN115181420 A CN 115181420A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ionic solvent
- membrane
- drying
- solvent membrane
- solution
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 110
- 239000002904 solvent Substances 0.000 title claims abstract description 103
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 18
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 54
- 239000004693 Polybenzimidazole Substances 0.000 claims abstract description 30
- 229920002480 polybenzimidazole Polymers 0.000 claims abstract description 30
- 125000000732 arylene group Chemical group 0.000 claims abstract description 24
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims abstract description 22
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 claims abstract description 12
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 claims abstract description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 45
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 42
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 36
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 33
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 33
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 28
- UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M Sodium bicarbonate Chemical compound [Na+].OC([O-])=O UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 28
- 239000003513 alkali Substances 0.000 claims description 19
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 17
- HSTOKWSFWGCZMH-UHFFFAOYSA-N 3,3'-diaminobenzidine Chemical compound C1=C(N)C(N)=CC=C1C1=CC=C(N)C(N)=C1 HSTOKWSFWGCZMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims description 15
- 239000000178 monomer Substances 0.000 claims description 15
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910000030 sodium bicarbonate Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 235000017557 sodium bicarbonate Nutrition 0.000 claims description 14
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 claims description 13
- TYJJADVDDVDEDZ-UHFFFAOYSA-M potassium hydrogencarbonate Chemical compound [K+].OC([O-])=O TYJJADVDDVDEDZ-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 13
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 claims description 13
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 13
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 12
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 12
- JYYOBHFYCIDXHH-UHFFFAOYSA-N carbonic acid;hydrate Chemical compound O.OC(O)=O JYYOBHFYCIDXHH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 claims description 11
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 10
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 9
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 claims description 9
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 8
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 claims description 8
- CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L Sodium Carbonate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 6
- 239000002798 polar solvent Substances 0.000 claims description 6
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 4
- 150000008053 sultones Chemical class 0.000 claims description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 235000015497 potassium bicarbonate Nutrition 0.000 claims description 3
- 229910000028 potassium bicarbonate Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011736 potassium bicarbonate Substances 0.000 claims description 3
- 229910000029 sodium carbonate Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 3
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 claims description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 7
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 14
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 12
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 11
- UFWIBTONFRDIAS-UHFFFAOYSA-N Naphthalene Chemical compound C1=CC=CC2=CC=CC=C21 UFWIBTONFRDIAS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 9
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 9
- 125000001624 naphthyl group Chemical group 0.000 description 9
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 8
- 239000000047 product Substances 0.000 description 8
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 7
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 4
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 4
- MHYFEEDKONKGEB-UHFFFAOYSA-N oxathiane 2,2-dioxide Chemical compound O=S1(=O)CCCCO1 MHYFEEDKONKGEB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000002522 swelling effect Effects 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 3
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 238000000909 electrodialysis Methods 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 125000001273 sulfonato group Chemical group [O-]S(*)(=O)=O 0.000 description 3
- 125000000542 sulfonic acid group Chemical group 0.000 description 3
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910003310 Ni-Al Inorganic materials 0.000 description 2
- KKEYFWRCBNTPAC-UHFFFAOYSA-N Terephthalic acid Chemical compound OC(=O)C1=CC=C(C(O)=O)C=C1 KKEYFWRCBNTPAC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000005349 anion exchange Methods 0.000 description 2
- MWPLVEDNUUSJAV-UHFFFAOYSA-N anthracene Chemical compound C1=CC=CC2=CC3=CC=CC=C3C=C21 MWPLVEDNUUSJAV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002585 base Substances 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 2
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 2
- QQVIHTHCMHWDBS-UHFFFAOYSA-N isophthalic acid Chemical compound OC(=O)C1=CC=CC(C(O)=O)=C1 QQVIHTHCMHWDBS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 125000001997 phenyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(*)C([H])=C1[H] 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 2
- 238000013112 stability test Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 125000005577 anthracene group Chemical group 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004177 carbon cycle Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000000536 complexating effect Effects 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- XHQZXHMRBXBPEL-UHFFFAOYSA-N eaton reagent Chemical group CS(O)(=O)=O.O1P(O2)(=O)OP3(=O)OP1(=O)OP2(=O)O3 XHQZXHMRBXBPEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011883 electrode binding agent Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 description 1
- 125000000623 heterocyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000007142 ring opening reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012266 salt solution Substances 0.000 description 1
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 1
- 238000007614 solvation Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
- C08J5/18—Manufacture of films or sheets
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
- C08G73/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a linkage containing nitrogen with or without oxygen or carbon in the main chain of the macromolecule, not provided for in groups C08G12/00 - C08G71/00
- C08G73/06—Polycondensates having nitrogen-containing heterocyclic rings in the main chain of the macromolecule
- C08G73/18—Polybenzimidazoles
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B13/00—Diaphragms; Spacing elements
- C25B13/04—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material
- C25B13/08—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material based on organic materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J2379/00—Characterised by the use of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing nitrogen with or without oxygen, or carbon only, not provided for in groups C08J2361/00 - C08J2377/00
- C08J2379/04—Polycondensates having nitrogen-containing heterocyclic rings in the main chain; Polyhydrazides; Polyamide acids or similar polyimide precursors
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
Abstract
本发明提供一种含亲水辅助基团的离子溶剂膜及其制备方法和应用。一种含亲水辅助基团的离子溶剂膜，其结构式包括以下结构单元：
其中，Ar1、Ar2为相同或不同的带有位点的亚芳基基团，x1，x2为侧链碳原子数，M为金属原子，n为0‑80。其制备方法包括：利用聚合反应生成含有相同或不同的带有位点的亚芳基基团的聚苯并咪唑聚合物，接枝得到含不同碳原子数磺酸基侧链的聚合物，成膜，再将所制备的聚合物膜在碱性条件下反应，得到所述含亲水辅助基团的离子溶剂膜。其应用在于电化学器件装置。本发明提供的含亲水辅助基团的离子溶剂膜具有高导电性、高机械强度和稳定性，制备方法简单可控，经济可行，应用范围广，具有扩大化生产的潜力。
Description
技术领域
本发明属于环保技术领域，尤其涉及一种含亲水辅助基团的离子溶剂膜及其制备方法和应用。
背景技术
全球二氧化碳排放量的增加打破了原有的碳循环平衡，导致温室效应加剧，气候复杂多变。为了应对这一关键挑战，二氧化碳捕获和利用技术在减少大气中人为温室气体排放和将二氧化碳转化为高附加值产品方面引起了广泛关注。在各种碳捕获和转化技术中，离子交换膜的高渗透选择性发挥着重要作用，对实现温室气体净零排放目标至关重要，离子交换膜可以应用到电渗析(ED)、双极膜电渗析(BMED)、复分解电渗析(EDM)、CO2电化学还原，燃料电池，碱性电解水，氧化还原液流电池等碳减排应用。目前学术界、工业界和政府重点关注离子交换膜在碳捕获、利用和储存方面的独特优势(Sep.Purif.Technol.,2022,296,121390)。
受益于碱性环境中电化学反应的特征，碱性电解水，液流电池和燃料电池等技术具有材料灵活高和成本较低的优势。作为该技术的核心高性能传导阴离子的功能膜受到越来越多的研究(Nature Energy,2019,4,392-398)。一种方案是在掺碱液的聚合物形成离子溶剂化电解质膜系统周围建造聚合物电解质，带有杂环的聚合物中的共轭结构具有碱性，使得这些类型的聚合物在掺杂酸或碱后能够运输质子或OH-，将聚合物的机械稳定性和气密性与碱性水盐溶液的导电性能结合起来形成三元体系。Xing和Savadogo首先对聚苯并咪唑(PBI)进行了研究，表明其离子导电性在实际应用范围(Electrochem.Commun.,2000,2,697)，目前已在电极粘合剂、醇、燃料电池和超级电容器中作为氢电解质的技术应用方面进行了探索。由于H+的离子迁移率远大于OH-的离子电导率，因此，离子溶剂膜的离子电导率低于质子交换膜。为了追求高功率密度的燃料电池以及性能优异的碱性电解槽，离子溶剂膜需要通过吸收高浓度(10-35wt％)的碱液才能得到更高的离子电导率，从而保证高性能电解水技术的应用。Henkensmeier等人通过将商业FAA阴离子交换膜与mPBI制备共混膜，在吸收25wt％(5.5M KOH)后室温达到166mS cm-1的最高电导率，比mPBI高80％，(Journal ofMembrane Science 564(2018)653–662)，此外，还通过增加膜中空隙的方式增加离子传导，例如；Li等人就是通过添加PVP制备多孔膜，进行28wt％(7M KOH)的碱处理得到室温电导率达200mS cm-1的多孔离子溶剂膜，比未处理的高出一倍(Journal of Membrane Science493(2015)589–598)，Chen等人将DBP和PBI溶于DMSO，流延成膜后后甲醇洗脱DBP致孔，然后掺6M KOH制备得了能稳定72h以上的80mS cm-1电导率的离子溶剂膜(Int.J.HydrogenEnergy 39(2014)18405-18415)。这些方法可以极大的提高导电率，但是由于离子溶剂膜用高浓度碱浸泡将会对破环聚合物链段的构型和对骨架稳定性提出严峻的挑战，由此可见，现有技术离子溶剂膜的性能尚不能满足实际需求。因此，通过强化酸碱作用，合理调控结构，在较低碱浓度下吸碱从而获得高电导率高稳定性的离子溶剂膜在实际应用中具有重要的研究意义。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明提供一种含亲水辅助基团的离子溶剂膜及其制备方法和应用，以解决上述问题。
为实现以上目的，本发明特采用以下技术方案：
一种含亲水辅助基团的离子溶剂膜，其结构式包括以下结构单元：
其中，Ar1、Ar2为相同或不同的带有位点的亚芳基基团，x1，x2为侧链碳原子数，M为金属原子；
优选地，所述n为0-80。
可选的，所述亚芳基基团的结构式包括以下结构式中的一种或多种：
可选的，所述x1，x2为1-20；
优选地，所述M为Li、Na、K、Rb或Cs中的一种或多种。
可选的，所述离子溶剂膜的数均分子量为500-800000，聚合度为10-200的整数；
优选地，所述离子溶剂膜可溶于NMP、DMF、DMAc或DMSO中的一种或多种溶剂。
一种所述的含亲水辅助基团的离子溶剂膜的制备方法，包括：
利用聚合反应生成含有相同或不同的带有位点的亚芳基基团的聚苯并咪唑聚合物，随后接枝得到含不同碳原子数磺酸基侧链的聚合物，然后成膜，再将所制备的聚合物膜在碱性条件下反应，得到所述含亲水辅助基团的离子溶剂膜；
其中，所述的相同或不同的带有位点的亚芳基基团的结构式包括如下结构式中的一种或多种：
可选的，所述聚合反应包括：
在惰性气氛下，将含相同或不同的带有位点的亚芳基基团的二酸与3,3-二氨基联苯胺单体混合、搅拌反应，然后经过洗涤、第一干燥，得到纯化的含相同或不同的带有位点的亚芳基基团的聚苯并咪唑聚合物；
优选地，所述含相同或不同的带有位点的亚芳基基团的二酸与所述3,3-二氨基联苯胺单体的摩尔比为1:1-10；
优选地，所述搅拌反应的温度为0-200℃；
优选地，所述搅拌反应采用催化剂催化，所述催化剂为伊顿试剂；
优选地，所述洗涤依次采用水和碳酸氢钠依次进行。
可选的，所述接枝包括：
将所述含相同或不同的带有位点的亚芳基基团的聚苯并咪唑聚合物加热溶解于极性溶剂中，随后向体系中加入NaH和磺内酯，依次经过加热反应、沉淀、除杂和第二干燥，得到含不同碳原子数磺酸基侧链的聚合物；
优选地，所述加热反应的温度为50-150℃，时间为0.1-48h；
优选地，所述沉淀在盐酸和丙酮混合液中进行；
优选地，所述除杂在碳酸钾溶液中进行；
优选地，所述第二干燥在真空条件下进行，所述第二干燥的温度为60-150℃，时间为12-24h。
可选的，所述成膜包括：
将所述含不同碳原子数磺酸基侧链的聚合物在25-100℃下溶于极性溶剂中，控制溶液固含量为0.1-10wt％，随后浇铸于玻璃板或不锈钢板上，推平，再进行第三干燥，成膜，得到聚合物膜；
优选地，所述第三干燥包括依次进行普通干燥和真空干燥。
可选的，将所述聚合物膜浸入碱溶液中进行处理，得到所述的含亲水辅助基团的离子溶剂膜；
优选地，所述碱溶液包括氢氧化钾溶液、碳酸钾溶液、碳酸氢钾溶液、氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液或碳酸氢钠溶液中的一种或多种；
优选地，所述碱溶液的浓度为1-15mol/L；
优选地，所述处理的时间为10-72h，温度为20-80℃。
本发明还提供一种所述的含亲水辅助基团的离子溶剂膜的应用，其应用于电化学器件装置；
优选地，应用于碱性水电解槽装置。
本发明的有益效果：
相较于现有离子溶剂膜，本发明提供的含亲水辅助基团的离子溶剂膜，它是一种骨架和侧链上含有亲水磺酸基团的聚合物，可通过吸附阳离子实现阴离子交换的高速传递，具有较高的氢氧根电导率和适度的吸水溶胀性，同时具有更优异的热稳定性和机械性能，其聚合物分解温度高于100℃，玻璃化转变温度大于120℃。
本发明提供的含亲水辅助基团的离子溶剂膜的制备方法，通过在骨架和侧链上引入亲水磺酸基团，调控其亲水结构，再通过涂覆成膜和碱反应，得到可实现阴离子交换的高速传递的离子溶剂膜，其制备过程简单可控，原料廉价易得，制得的产物具有高导电性和强稳定性，有利于工业化扩大化生产。
将本发明提供的含亲水辅助基团的离子溶剂膜应用于电化学器件装置，尤其是碱性水电解槽装置，其表现出更高的氢氧根电导率和电解槽稳定性，具有更好的工业化应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例2制备的含亲水辅助基团的离子溶剂膜在碱性水电解槽上的测试性能图；
图2为实施例1-3和对比例1制备的离子溶剂膜的机械性能图；
图3为实施例1-3和对比例1制备的离子溶剂膜的溶胀性能图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
首先，对本发明进行整体性解释，具体如下：
首先本发明提供一种含亲水辅助基团的离子溶剂膜，其结构式包括以下结构单元：
其中，Ar1、Ar2为相同或不同的带有位点的亚芳基基团，x1，x2为侧链碳原子数，M为金属原子；
优选地，所述n为0-80。
可选的，所述n可以为0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75以及80之间的任意值。
当n过高时会导致膜溶胀，机械性能下降。
在一个可选的实施方式中，所述亚芳基基团的结构式包括以下结构式中的一种或多种：
在一个可选的实施方式中，所述x1，x2为1-20；
可选的，所述x1，x2可以为1、2、4、5、6、8、10、12、14、15、16、18以及20之间的任意值；
优选地，所述M为Li、Na、K、Rb或Cs中的一种或多种。
在一个可选的实施方式中，所述离子溶剂膜的数均分子量为500-800000，聚合度为10-200的整数；
优选地，所述离子溶剂膜可溶于NMP、DMF、DMAc或DMSO中的一种或多种溶剂。
可选的，所述离子溶剂膜的数均分子量可以为500、5000、10000、50000、100000、150000、200000、250000、300000、350000、400000、450000、500000、550000、600000、650000、700000、750000以及800000之间的任意整数，聚合度可以为10、50、100、150以及200之间的任意整数。
本发明提供的含亲水辅助基团的离子溶剂膜，它是一种骨架和侧链上含有亲水磺酸基团的聚合物，通过酸碱离子对作用传导负离子，加速离子转换，具有较高的氢氧根电导率和适度的吸水溶胀性，优异的碱稳定性，以及良好的机械性能。对含亲水辅助基团的离子溶剂膜的分子量和聚合度进行优选，具有重要的意义，因为当分子量和聚合度过低时，溶液较稀，当分子量和聚合度过高，会导致结晶，无法成膜。对含亲水辅助基团的离子溶剂膜的侧链碳原子数进行优选，具有重要的意义，因为碳原子数过低时，稳定性下降，容易诱导主链降解，当碳原子数过高，吸水性下降，导电率不足。对含亲水辅助基团的离子溶剂膜的络合金属原子进行优选，同样具有重要的意义，因为选择电离能高的原子时，结合负离子能力也强，容易以运载机制传输负离子，当选择电离能低的原子时，会相应以跳跃机理传输负离子，选择不同的金属原子会影响络合能力，使得负离子以不同的机制传导，进而表现出不同的导电率规律。
本发明还提供一种所述的含亲水辅助基团的离子溶剂膜的制备方法，包括：
利用聚合反应生成含有相同或不同的带有位点的亚芳基基团的聚苯并咪唑聚合物，随后接枝得到含不同碳原子数磺酸基侧链的聚合物，然后成膜，再将所制备的聚合物膜在碱性条件下反应，得到所述含亲水辅助基团的离子溶剂膜；
其中，所述的相同或不同的带有位点的亚芳基基团的结构式包括如下结构式中的一种或多种：
在一个可选的实施方式中，所述聚合反应包括：
在惰性气氛下，将含相同或不同的带有位点的亚芳基基团的二酸与3,3-二氨基联苯胺单体混合、搅拌反应，然后经过洗涤、第一干燥，得到纯化的含相同或不同的带有位点的亚芳基基团的聚苯并咪唑聚合物；
优选地，所述含相同或不同的带有位点的亚芳基基团的二酸和所述3,3-二氨基联苯胺单体的摩尔比为1:1-10；
可选的，所述摩尔比可以为1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8、1:9以及1:10之间的任意值；
优选地，所述搅拌反应的温度为0-200℃；
可选的，所述搅拌反应的温度可以为0℃、20℃、50℃、80℃、100℃、120℃、150℃、180℃以及200℃之间的任意值；
优选地，所述搅拌反应采用催化剂催化，所述催化剂为伊顿试剂；
优选地，所述洗涤采用水和碳酸氢钠依次进行。
在一个可选的实施方式中，所述接枝包括：
将所述含相同或不同的带有位点的亚芳基基团的聚苯并咪唑聚合物加热溶解于极性溶剂中，随后向体系中加入NaH和磺内酯，依次经过加热反应、沉淀、除杂和第二干燥，得到含不同碳原子数磺酸基侧链的聚合物；
优选地，所述加热反应的温度为50-150℃，时间为0.1-48h；
可选的，所述加热反应的温度可以为50℃、80℃、100℃、120℃以及150℃之间的任意值，所述加热反应的时间可以为0.1h、1h、6h、12h、18h、24h、30h、36h、42h、48h之间的任意值；
优选地，所述沉淀在盐酸和丙酮混合液中进行；
优选地，所述除杂在碳酸钾溶液中进行；
优选地，所述第二干燥在真空干燥箱中进行，所述第二干燥的温度为60-150℃，时间为12-24h。
可选的，所述第二干燥的温度可以为60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃以及150℃之间的任意值，时间可以为12h、14h、15h、16h、18h、20h、22h以及24h之间的任意值。
在一个可选的实施方式中，所述成膜包括：
将所述含不同碳原子数磺酸基侧链的聚合物在25-100℃下溶于极性溶剂中，控制溶液固含量为0.1-10wt％，随后浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平，再进行第三干燥，成膜，得到聚合物膜；
可选的，所述含不同碳原子数磺酸基侧链的聚合物的溶解温度可以为25℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃以及100℃之间的任意值，其溶液固含量可以为0.1wt％、1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％以及10wt％之间的任意值；
优选地，所述第三干燥包括依次进行普通干燥和真空干燥。
在一个可选的实施方式中，将所述聚合物膜浸入碱溶液中进行处理，得到所述的含亲水辅助基团的离子溶剂膜；
优选地，所述碱溶液包括氢氧化钾溶液、碳酸钾溶液、碳酸氢钾溶液、氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液和碳酸氢钠溶液中的一种或多种；
优选地，所述碱溶液的浓度为1-15mol/L；
可选的，所述碱溶液的浓度可以为1mol/L、2mol/L、3mol/L、4mol/L、5mol/L、6mol/L、7mol/L、8mol/L、9mol/L、10mol/L、11mol/L、12mol/L、13mol/L、14mol/L以及15mol/L之间的任意值；
优选地，所述处理的时间为10-72h，温度为20-80℃。
可选的，所述处理的时间可以为10h、12h、15h、18h、20h、24h、25h、30h、36h、42h、48h、54h、60h、66h以及72h之间的任意值，温度可以为20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃以及80℃之间的任意值。
本发明提供的制备方法，其合成路线如下：
将含相同或不同的带有位点的亚芳基基团的二酸与3,3-二氨基联苯胺发生聚合反应，得到含相同或不同的带有位点的亚芳基基团的聚苯并咪唑聚合物(PBI)，利用PBI的反应性N-H基团，亲水性磺酸盐侧链通过开环反应连接到PBI主链上。碱性稳定的PBI主链用于确保膜的化学稳定性，接枝的磺酸盐侧链可以诱导亲水区的形成并改善电解质(KOH)的吸收。通过控制NaH和磺内酯进行反应的条件，得到含不同碳原子数磺酸基侧链的聚合物，随后成膜处理并进行碱反应，由于咪唑的两性性质和亲水磺酸基团的引入，本方法得到的膜能在强碱性水溶液条件下络合形成称为聚苯并咪唑的阴离子物质，从而导致显着的碱吸收，进而传导阴离子。所制得的含亲水辅助基团的离子溶剂膜具有较高的氢氧根电导率和机械性能，以及稳定性。通过调节反应的单体的摩尔比、催化剂以及后处理的试剂，提高初步聚合物的得率和纯度；引入亲水基团的过程中对反应温度和时间进行优选，对亲水基团引入的数量、位置和效果均有重大的影响，进而影响最终产物的性能。
本发明还提供一种所述的含亲水辅助基团的离子溶剂膜的应用，其应用于电化学器件装置；
优选地，应用于碱性水电解槽装置。
实验证明，本发明提供的含亲水辅助基团的离子溶剂膜应用在碱性水电解槽装置，具有更高的导电性能和机械性能，以及稳定性，具有工业化广泛应用的价值。
实施例1
使用本发明所提供的一种含亲水辅助基团的离子溶剂膜的制备方法，制备离子溶剂膜，并将其应用在碱性水电解槽装置，测试其性能，具体步骤如下：
S1：将萘二酸和3,3-二氨基联苯胺单体以摩尔比1:1加入，在伊顿试剂的催化下，惰性气氛下高温120℃搅拌反应，反应完毕之后依次用水、碳酸氢钠充分洗涤，然后干燥，得到纯化的含萘基的聚苯并咪唑聚合物；
S2：将S1制得的含萘基的聚苯并咪唑聚合物加热溶解于DMAc中，然后加入等摩尔数的NaH和1,4-丁磺内酯，加热至85℃反应5h后，倒入大量的盐酸和丙酮混合液中沉淀，将所得聚合物固体加入到碳酸钾溶液，将多余杂质除去，随后将真空干燥箱设置为100℃干燥20h，烘干得到的呈纤维状的固体，即为含不同碳原子数磺酸基侧链的聚合物；
S3：将S2产物在80℃下溶于DMAc中，溶液的固含量控制在5wt％，将溶液直接浇铸于玻璃板上，用铸膜刀推平，首先进行普通干燥，然后进行真空干燥，得到聚合物膜；
S4：将S3所得聚合物膜浸入6mol/L氢氧化钾溶液，在80℃下处理36h，得到含亲水辅助基团的离子溶剂膜；
S5：将S4产物含亲水辅助基团的离子溶剂膜用作电解质隔膜，应用于碱性水电解槽装置：
通过催化剂涂覆基底(CCS)制备阳极阴极，Ni-Al喷涂到泡沫镍作为阴极和阳极，带有流道的镍合金板作为双极板和集电器，膜的有效面积为4cm2，将膜夹在阴极和阳极之间来组装电解水装置。电化学测试在80℃，25wt％氢氧化钾电解液中进行，通过测量不同电流密度下的电池电压获得极化曲线，并且在50℃，800mA·cm-2的恒定电流密度下评估其耐久性。
但是，由于实施例1中引入的亲水基团量较少，导电率比实施例2-21低很多。
实施例2
使用本发明所提供的一种含亲水辅助基团的离子溶剂膜的制备方法，制备离子溶剂膜，并将其应用在碱性水电解槽装置，测试其性能，具体步骤如下：
S1：将萘二酸和3,3-二氨基联苯胺单体以摩尔比1:1，在伊顿试剂的催化下，惰性气氛下高温120℃搅拌反应，反应完毕之后依次用水、碳酸氢钠充分洗涤，然后干燥，得到纯化的含萘基的聚苯并咪唑聚合物；
S2：将S1制得的含萘基的聚苯并咪唑聚合物加热溶解于DMAc中，然后加入等摩尔数的NaH和1,4-丁磺内酯，加热至85℃反应8h后，倒入大量的盐酸和丙酮混合液中沉淀，将所得聚合物固体加入到碳酸钾溶液，将多余杂质除去，随后将真空干燥箱设置为60℃干燥24h，烘干得到的呈纤维状的固体，即为含不同碳原子数磺酸基侧链的聚合物；
S3：将S2产物在80℃下溶于DMAc中，溶液的固含量控制在5wt％，将溶液直接浇铸于玻璃板上，用铸膜刀推平，首先进行普通干燥，然后进行真空干燥，得到聚合物膜；
S4：将S3所得聚合物膜浸入6mol/L氢氧化钠溶液，在80℃下处理36h，得到含亲水辅助基团的离子溶剂膜；
S5同实施例1。
本实施例所制得的含亲水辅助基团的离子溶剂膜在碱性水电解槽上的测试性能图如图1所示。
实施例3
使用本发明所提供的一种含亲水辅助基团的离子溶剂膜的制备方法，制备离子溶剂膜，并将其应用在碱性水电解槽装置，测试其性能，具体步骤如下：
S1：将萘二酸和3,3-二氨基联苯胺单体以摩尔比1:1，在伊顿试剂的催化下，惰性气氛下高温120℃搅拌反应，反应完毕之后依次用水、碳酸氢钠充分洗涤，然后干燥，得到纯化的含萘基的聚苯并咪唑聚合物；
S2：将S1制得的含萘基的聚苯并咪唑聚合物加热溶解于DMAc中，然后加入等摩尔数的NaH和1,4-丁磺内酯，加热至85℃反应15h后，倒入大量的盐酸和丙酮混合液中沉淀，将所得聚合物固体加入到碳酸钾溶液，将多余杂质除去，随后将真空干燥箱设置为150℃干燥12h，烘干得到的呈纤维状的固体，即为含不同碳原子数磺酸基侧链的聚合物；
S3：将S2产物在100℃下溶于DMAc中，溶液的固含量控制在0.1wt％，将溶液直接浇铸于玻璃板上，用铸膜刀推平，首先进行普通干燥，然后进行真空干燥，得到聚合物膜；
S4：将S3所得聚合物膜浸入6mol/L氢氧化钾溶液，在20℃下处理72h，得到含亲水辅助基团的离子溶剂膜；
S5与实施例1相同。
实施例4
使用本发明所提供的一种含亲水辅助基团的离子溶剂膜的制备方法，制备离子溶剂膜，并将其应用在碱性水电解槽装置，测试其性能，具体步骤如下：
S1：将萘二酸和3,3-二氨基联苯胺单体以摩尔比1:1，在伊顿试剂的催化下，惰性气氛下高温120℃搅拌反应，反应完毕之后依次用水、碳酸氢钠充分洗涤，然后干燥，得到纯化的含萘基的聚苯并咪唑聚合物；
S2：将S1制得的含萘基的聚苯并咪唑聚合物加热溶解于DMAc中，然后加入等摩尔数的NaH和1,4-丁磺内酯，加热至85℃反应24h后，倒入大量的盐酸和丙酮混合液中沉淀，将所得聚合物固体加入到碳酸钾溶液，将多余杂质除去，随后将真空干燥箱设置为120℃干燥20h，烘干得到的呈纤维状的固体，即为含不同碳原子数磺酸基侧链的聚合物；
S3：将S2产物在25℃下溶于DMAc中，溶液的固含量控制在8wt％，将溶液直接浇铸于玻璃板上，用铸膜刀推平，首先进行普通干燥，然后进行真空干燥，得到聚合物膜；
S4：将S3所得聚合物膜浸入6mol/L氢氧化钾钾溶液，在50℃下处理10h，得到含亲水辅助基团的离子溶剂膜；
S5与实施例1相同。
实施例5
与实施例1不同的是，S2中加热反应的时间为36h。
实施例6
与实施例1不同的是，S2中加热反应的时间为48h。
实施例7
使用本发明所提供的一种含亲水辅助基团的离子溶剂膜的制备方法，制备离子溶剂膜，并将其应用在碱性水电解槽装置，测试其性能，具体步骤如下：
S1：将间苯二酸和3,3-二氨基联苯胺单体以摩尔比1：1，在伊顿试剂的催化下，惰性气氛下高温120℃搅拌反应，反应完毕之后依次用水、碳酸氢钠充分洗涤，然后干燥，得到纯化的含苯基的聚苯并咪唑聚合物；
S2-S5同实施例2。
实施例8
与实施例7不同的是，S2中加热反应的时间为15h。
实施例9
与实施例7不同的是，S2中加热反应的时间为24h。
实施例10
与实施例7不同的是，S2中加热反应的时间为36h。
实施例11
与实施例7不同的是，S2中加热反应的时间为48h。
实施例12
使用本发明所提供的一种含亲水辅助基团的离子溶剂膜的制备方法，制备离子溶剂膜，并将其应用在碱性水电解槽装置，测试其性能，具体步骤如下：
S1：将对苯二酸和3,3-二氨基联苯胺单体以摩尔比1：1，在伊顿试剂的催化下，惰性气氛下高温120℃搅拌反应，反应完毕之后依次用水、碳酸氢钠充分洗涤，然后干燥，得到纯化的含苯基的聚苯并咪唑聚合物；
S2-S5同实施例2。
实施例13
与实施例12不同的是，S2中加热反应的时间为15h。
实施例14
与实施例12不同的是，S2中加热反应的时间为24h。
实施例15
与实施例12不同的是，S2中加热反应的时间为36h。
实施例16
与实施例12不同的是，S2中加热反应的时间为48h。
实施例17
使用本发明所提供的一种含亲水辅助基团的离子溶剂膜的制备方法，制备离子溶剂膜，并将其应用在碱性水电解槽装置，测试其性能，具体步骤如下：
S1：将9,10-二羧酸蒽和3,3-二氨基联苯胺单体以摩尔比1:1，在伊顿试剂的催化下，惰性气氛下高温120℃搅拌反应，反应完毕之后依次用水、碳酸氢钠充分洗涤，然后干燥，得到纯化的含蒽基的聚苯并咪唑聚合物；
S2-S5同实施例2。
实施例18
与实施例17不同的是，S2中加热反应的时间为15h。
实施例19
与实施例17不同的是，S2中加热反应的时间为24h。
实施例20
与实施例17不同的是，S2中加热反应的时间为36h。
实施例21
与实施例17不同的是，S2中加热反应的时间为48h。
对比例1
采用现有技术制备离子溶剂膜的方法制备离子溶剂膜，并进行性能测试，具体如下：
S1：将萘二酸和3,3-二氨基联苯胺单体以摩尔比1:1比例加入，在伊顿试剂的催化下，惰性气氛下高温120℃搅拌反应，反应完毕之后用水、碳酸氢钠充分洗涤干燥得到纯化的含萘基的聚苯并咪唑聚合物；
S2：将S1产物在80℃下溶于DMAc中，溶液的固含量控制在5wt％，将溶液直接浇铸于玻璃板上，用铸膜刀推平，首先进行普通干燥，然后进行真空干燥，得到聚合物膜；
S3：将S2所得聚合物膜浸入6mol/L氢氧化钾溶液，在80℃下处理36h，得到不含亲水辅助基团的离子溶剂膜；
S4：将S3产物含亲水辅助基团的离子溶剂膜用作电解质隔膜，应用于碱性水电解槽装置：
通过催化剂涂覆基底(CCS)制备阳极阴极，Ni-Al喷涂到泡沫镍作为阴极和阳极，带有流道的镍合金板作为双极板和集电器，膜的有效面积为4cm2，将膜夹在阴极和阳极之间来组装电解水装置。电化学测试在80℃，25wt％氢氧化钾电解液中进行，通过测量不同电流密度下的电池电压获得极化曲线，并且在50℃，800mA·cm-2的恒定电流密度下评估其耐久性。
将实施例1-21和对比例1所制得的离子溶剂膜在相同条件下进行测试，具体如下：
氢氧根电导率测试条件：10℃；
电解槽稳定性测试条件：80℃，500mA/cm2；
碱性稳定性测试条件：80℃，浓度为8M的KOH；
测试结果数据如表1所示。
表1实施例1-21和对比例1所制得的离子溶剂膜性能参数表
通过表1可知，本发明提供的含亲水辅助基团的离子溶剂膜，氢氧根电导率大于5mS/cm，电解槽稳定性大于100h，碱性稳定性大于500h，氢气氧气渗透通量小于1barrer，拉伸强度大于30MPa，杨氏模量大于200MPa，断裂伸长率大于1％，长度、宽度、厚度的变化率小于250％。具有高导电率和高稳定性。
本发明实施例1-3和对比例1制备的离子溶剂膜的机械性能图如图2所示，实施例1-3和对比例1制备离子溶剂膜的溶胀性能图如图3所示。
通过比较实施例2-21和对比例1可知，实施例2-21通过在聚合物化学结构中增加磺酸基官能团(侧链或主链)作为亲水辅助基团，通过控制不同官能团种类、程度、聚合物主链材料的化学结构，增加离子溶剂膜的持碱的绝对量，合理的控制溶胀率(厚度变化小于30％)和机械性能(拉伸强度大于30MPa)，相较于对比例1，实施例11的电导率提高6.8倍，并且电解水性能提升4倍，器件可以稳定运行上百小时以上。
请注意，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种含亲水辅助基团的离子溶剂膜，其特征在于，其结构式包括以下结构单元：
其中，Ar1、Ar2为相同或不同的带有位点的亚芳基基团，x1，x2为侧链碳原子数，M为金属原子；
优选地，所述n为0-80。
2.根据权利要求1所述的离子溶剂膜，其特征在于，所述亚芳基基团的结构式包括以下结构式中的一种或多种：
3.根据权利要求1所述的离子溶剂膜，其特征在于，所述x1，x2为1-20；
优选地，所述M为Li、Na、K、Rb或Cs中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的离子溶剂膜，其特征在于，所述离子溶剂膜的数均分子量为500-800000，聚合度为10-200的整数；
优选地，所述离子溶剂膜可溶于NMP、DMF、DMAc或DMSO中的一种或多种溶剂。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的含亲水辅助基团的离子溶剂膜的制备方法，其特征在于，包括：
利用聚合反应生成含有相同或不同的带有位点的亚芳基基团的聚苯并咪唑聚合物，随后接枝得到含不同碳原子数磺酸基侧链的聚合物，然后成膜，再将所制备的聚合物膜在碱性条件下反应，得到所述含亲水辅助基团的离子溶剂膜；
其中，所述的相同或不同的带有位点的亚芳基基团的结构式包括如下结构式中的一种或多种：
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述聚合反应包括：
在惰性气氛下，将所述含相同或不同的带有位点的亚芳基基团的二酸与3,3-二氨基联苯胺单体混合、搅拌反应，然后经过洗涤、第一干燥，得到纯化的含相同或不同的带有位点的亚芳基基团的聚苯并咪唑聚合物；
优选地，所述含相同或不同的带有位点的亚芳基基团的二酸与所述3,3-二氨基联苯胺单体的摩尔比为1:1-10；
优选地，所述搅拌反应的温度为0-200℃；
优选地，所述搅拌反应采用催化剂催化，所述催化剂为伊顿试剂；
优选地，所述洗涤采用水和碳酸氢钠依次进行。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述接枝包括：
将所述含相同或不同的带有位点的亚芳基基团的聚苯并咪唑聚合物加热溶解于极性溶剂中，随后向体系中加入NaH和磺内酯，依次经过加热反应、沉淀、除杂和第二干燥，得到含不同碳原子数磺酸基侧链的聚合物；
优选地，所述加热反应的温度为50-150℃，时间为0.1-48h；
优选地，所述沉淀在盐酸和丙酮混合液中进行；
优选地，所述除杂在碳酸钾溶液中进行；
优选地，所述第二干燥在真空条件下进行，所述第二干燥的温度为60-150℃，时间为12-24h。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述成膜包括：
将所述含不同碳原子数磺酸基侧链的聚合物在25-100℃下溶于极性溶剂中，控制溶液固含量为0.1-10wt％，随后浇铸于玻璃板或不锈钢板上，推平，再进行第三干燥，成膜，得到聚合物膜；
优选地，所述第三干燥包括依次进行普通干燥和真空干燥。
9.根据权利要求5-8任一项所述的制备方法，其特征在于，将所述聚合物膜浸入碱溶液中进行处理，得到所述的含亲水辅助基团的离子溶剂膜；
优选地，所述碱溶液包括氢氧化钾溶液、碳酸钾溶液、碳酸氢钾溶液、氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液或碳酸氢钠溶液中的一种或多种；
优选地，所述碱溶液的浓度为1-15mol/L；
优选地，所述处理的时间为10-72h，温度为20-80℃。
10.一种如权利要求1-4任一项所述的含亲水辅助基团的离子溶剂膜的应用，其特征在于，应用于电化学器件装置；
优选地，应用于碱性水电解槽装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210843422.XA CN115181420B (zh) | 2022-07-18 | 2022-07-18 | 一种含亲水辅助基团的离子溶剂膜及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210843422.XA CN115181420B (zh) | 2022-07-18 | 2022-07-18 | 一种含亲水辅助基团的离子溶剂膜及其制备方法和应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115181420A true CN115181420A (zh) | 2022-10-14 |
| CN115181420B CN115181420B (zh) | 2024-06-21 |
Family
ID=83518386
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210843422.XA Active CN115181420B (zh) | 2022-07-18 | 2022-07-18 | 一种含亲水辅助基团的离子溶剂膜及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115181420B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003055457A (ja) * | 2001-08-22 | 2003-02-26 | Toyobo Co Ltd | スルホン酸含有イオン伝導性ポリベンズイミダゾール |
| US20080032173A1 (en) * | 2006-08-04 | 2008-02-07 | Toru Koyama | Hydrocarbon type polymer electrolyte, membrane/electrode assembly, and fuel cell power source |
| WO2013172330A1 (ja) * | 2012-05-14 | 2013-11-21 | 東レ株式会社 | 半透膜およびその製造方法、半透膜を用いた濃度差発電方法 |
| CN108400362A (zh) * | 2018-02-05 | 2018-08-14 | 大连理工大学 | 一种侧链型烷基磺化聚苯并咪唑离子交换膜及其制备方法 |
| CN113527685A (zh) * | 2021-06-10 | 2021-10-22 | 中国科学院山西煤炭化学研究所 | 一种聚苯并咪唑离子溶剂膜及其制备方法与应用 |
-
2022
- 2022-07-18 CN CN202210843422.XA patent/CN115181420B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003055457A (ja) * | 2001-08-22 | 2003-02-26 | Toyobo Co Ltd | スルホン酸含有イオン伝導性ポリベンズイミダゾール |
| US20080032173A1 (en) * | 2006-08-04 | 2008-02-07 | Toru Koyama | Hydrocarbon type polymer electrolyte, membrane/electrode assembly, and fuel cell power source |
| WO2013172330A1 (ja) * | 2012-05-14 | 2013-11-21 | 東レ株式会社 | 半透膜およびその製造方法、半透膜を用いた濃度差発電方法 |
| CN108400362A (zh) * | 2018-02-05 | 2018-08-14 | 大连理工大学 | 一种侧链型烷基磺化聚苯并咪唑离子交换膜及其制备方法 |
| CN113527685A (zh) * | 2021-06-10 | 2021-10-22 | 中国科学院山西煤炭化学研究所 | 一种聚苯并咪唑离子溶剂膜及其制备方法与应用 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| BIN HU等: "A stable ion-solvating PBI electrolyte enabled by sterically bulky naphthalene for alkaline water electrolysis", JOURNAL OF MEMBRANE SCIENCE, vol. 643, pages 120042 * |
| DAVID AILI等: "Towards a stable ion-solvating polymer electrolyte for advanced alkaline water electrolysis", JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A, vol. 5, no. 10, pages 5055 - 5066 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115181420B (zh) | 2024-06-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110224166B (zh) | 一种磷酸掺杂交联型聚苯并咪唑高温质子交换膜及其制备方法 | |
| CN112175170A (zh) | 一种含有柔性链段的基于哌啶酮与芳烃聚合的阴离子交换膜及其制备方法和应用 | |
| KR102655259B1 (ko) | 음이온교환 복합막, 그 제조방법 및 이를 포함하는 알칼리 연료전지 | |
| CN108659243B (zh) | 一种支化型聚醚醚酮阴离子交换膜及其制备方法 | |
| CN113461992B (zh) | 一种碱性阴离子交换膜的制备方法 | |
| Qian et al. | Quaternary ammonium-functionalized crosslinked poly (aryl ether sulfone) s anion exchange membranes with enhanced alkaline stability for water electrolysis | |
| CN115010907A (zh) | 一种含有亲水和疏水双侧链的聚芳基哌啶型阴离子交换膜及其制备方法 | |
| CN116535619A (zh) | 一种高分子量亚芳基靛红聚合物、离子溶剂膜制备方法及应用 | |
| CN112194810B (zh) | 一种采用气相诱导相转化法制备基于聚苯并咪唑的多孔聚合物离子交换膜的方法及其应用 | |
| Wen et al. | Poly (aryl N-methyl quinuclidinium) anion exchange membrane with both ultra-high alkaline stability and dimensional stability | |
| CN115536885B (zh) | 一种亚微相分离阴离子交换膜的制备方法 | |
| CN115181420B (zh) | 一种含亲水辅助基团的离子溶剂膜及其制备方法和应用 | |
| CN110078961B (zh) | 一种多羟基功能化聚苯并咪唑离子交换膜及制备方法 | |
| KR20120061156A (ko) | 폴리벤즈이미다졸계 고분자, 그 제조 방법, 이를 이용한 전해질막 및 연료전지 | |
| CN117247543A (zh) | 一类电解水制氢用交联型季铵功能化聚芳醚砜阴离子交换膜材料及其制备方法 | |
| KR102105662B1 (ko) | 술폰화 폴리페닐렌설파이드 전해질막 및 그 제조방법 | |
| CN114373971B (zh) | 一种全氟磺酸树脂与Ce-MOF共混的质子交换膜的制备方法 | |
| WO2022151512A1 (zh) | 一种含酰胺结构阴离子交换膜及其制备方法和应用 | |
| CN112251774B (zh) | 一种基于聚苯并咪唑的多孔聚合物离子交换膜及其采用溶胶凝胶法制备的方法和应用 | |
| CN112143019B (zh) | 一种采用非溶剂诱导相转化法制备基于聚苯并咪唑多孔聚合物离子交换膜的方法及其应用 | |
| CN113527685A (zh) | 一种聚苯并咪唑离子溶剂膜及其制备方法与应用 | |
| CN113912887A (zh) | 一种ptfe亲水性多孔离子选择膜复合材料的制备方法 | |
| Yang et al. | Carboxyl-functionalized Nanocellulose Reinforced Nanocomposite Proton Exchange Membrane | |
| Liu et al. | Synthesis of new sulfonated polyimide and its photo-crosslinking for polymer electrolyte membrane fuel cells | |
| CN112310452A (zh) | 一种磷钨酸掺杂磺化聚芳醚腈质子交换膜及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |