KR101293196B1 - Polybenzimidazolium based solid electrolytes - Google Patents

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Abstract

본 명세서에는 안정하면서도 성능이 우수한 고분자 전해질의 재료인 신규한 폴리벤즈이미다졸리움이 제공되며, 상기 폴리벤즈이미다졸리움을 이용하면 불안정한 음이온 교환기의 단점을 보완함으로써, 높은 안정성과 고성능을 갖는 고분자 전해질 막 또는 촉매 바인더를 제공할 수 있는 효과가 있다. In the present specification, a novel polybenzimidazolim, which is a stable and excellent polymer electrolyte material, is provided. By using the polybenzimidazolim, the polymer electrolyte having high stability and high performance is provided by compensating for the disadvantage of an unstable anion exchanger. There is an effect that can provide a membrane or a catalyst binder.

Figure R1020110033416
Figure R1020110033416

Description

폴리벤즈이미다졸리움 및 폴리벤즈이미다졸리움 기반 고체 전해질 {Polybenzimidazolium based solid electrolytes}Polybenzimidazolium-based solid electrolytes

본 명세서에 개시된 발명은 신규한 폴리벤즈이미다졸리움 및 그 폴리벤즈이미다졸리움의 이용에 관한 것이다. The invention disclosed herein relates to the use of the novel polybenzimidazolium and its polybenzimidazolium.

양성자 교환 막 연료 전지 시스템(proton exchange membrane fuel cell system)은 많이 개발되어 왔지만, 고 비용과 백금의 입수 어려움으로 인해 대규모의 상업화의 길은 아직 멀다. Proton exchange membrane fuel cell systems have been developed a lot, but the path to large-scale commercialization is still far from high costs and the difficulty of obtaining platinum.

그 대안으로서, 알칼리 음이온 교환 막 연료 전지(alkaline anion exchange membrane, AAEMFC)가 있다. 이는 연료 전지 내의 pH가 높기 때문에, 은이나 니켈과 같은 비-귀금속 기초 촉매의 사용이 가능하다. 또한, 높은 pH에서는 부식 속도가 느리기 때문에 캐쏘드에서의 전극 카이네틱스가 향상되고 값싼 금속 양극판을 사용할 수 있다. As an alternative, there is an alkaline anion exchange membrane (AAEMFC). Because of the high pH in the fuel cell, it is possible to use non-noble metal based catalysts such as silver or nickel. In addition, at high pH, the corrosion rate is slow, resulting in improved electrode kinetics at the cathode and the use of cheap metal anode plates.

그러나, 하이드록사이드 교환 막(hydroxide exchange membranes)의 가장 큰 단점은 하이드록사이드 음이온이 CO2와 반응하여 카보네이트를 형성한다는 것과, 음이온 교환기가 화학적으로 매우 불안정하여 연료 전지 운전 온도인 60℃ 이상에서 사용하기 어렵다는 것이다. 따라서, 음이온 교환기의 불안정한 단점을 극복하기 위한 수단이 요구된다. However, the major drawbacks of hydroxide exchange membranes are that the hydroxide anions react with CO 2 to form carbonates, and that the anion exchangers are very chemically unstable and above the fuel cell operating temperature of 60 ° C. It is difficult to use. Thus, a means is needed to overcome the unstable disadvantages of anion exchangers.

폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole, PBI)계 고분자는 헤테로사이클릭 폴리머로서, 가격이 싸고, 다양한 환경에서 열적, 화학적으로 안정한 고분자이다. 또한, 주사슬이 단단한 구조를 가지고 있고 높은 유리전이온도(Tg)를 가진다. 폴리벤즈이미다졸로 제조된 음이온 교환 수지 또는 막에서, 카운터 이온은 고분자를 염 또는 염기 용액에 침지시킴으로써 쉽게 교환될 수 있다. 그러나, 하이드록시드로 이온 교환된 폴리벤즈이미다졸 수지 또는 막은 매우 불안정하여 취성(brittleness) 및 파괴(failure)를 가져올 수 있다. Polybenzimidazole (PBI) -based polymers are heterocyclic polymers, which are inexpensive and thermally and chemically stable in various environments. In addition, the main chain has a rigid structure and has a high glass transition temperature (Tg). In anion exchange resins or membranes made of polybenzimidazole, the counter ions can be easily exchanged by immersing the polymer in a salt or base solution. However, polybenzimidazole resins or membranes ion-exchanged with hydroxides can be very unstable, leading to brittleness and failure.

본 명세서에 개시된 기술은 신규한 폴리벤즈이미다졸리움을 제공하는 것이다. The technique disclosed herein is to provide a novel polybenzimidazolium.

본 발명의 한 구현예는, 안정한 폴리벤즈이미다졸리움을 제공하는 것을 목적으로 한다. One embodiment of the present invention aims to provide a stable polybenzimidazolium.

본 발명의 또 다른 구현예는, 안정하면서도 성능이 우수한 고분자 전해질 막을 제공하는 것을 목적으로 한다. Another embodiment of the present invention aims to provide a stable and excellent polymer electrolyte membrane.

본 발명의 한 구현예는, 하기 화학식 1 또는 화학식 2의 구조를 갖는 폴리벤즈이미다졸리움 (polybenzimidazolium)으로서, 상기 폴리벤즈이미다졸리움은 전체 벤즈이미다졸 모노머 중 5 내지 100%의 모노머가 음이온이 부가된 벤즈이미다졸리움인, 폴리벤즈이미다졸리움을 개시한다. One embodiment of the present invention, a polybenzimidazolium having a structure of formula (1) or (2), wherein the polybenzimidazoli is 5 to 100% of the total benzimidazole monomer is an anion Polybenzimidazoli, an added benzimidazolium, is disclosed.

Figure 112011026434140-pat00001
Figure 112011026434140-pat00001

Figure 112011026434140-pat00002
Figure 112011026434140-pat00002

상기 식에서, Where

A는 직접 결합 또는 산소이고, A is a direct bond or oxygen,

B는 1 내지 5개의 헤테로원자를 갖는 이가 산(diacid)의 기 또는 9개 이상의 탄소 원자를 함유한 이가 산(diacid)의 기이고, B is a group of diacid having 1 to 5 heteroatoms or a group of diacid containing 9 or more carbon atoms,

R1 내지 R4는 서로 동일하거나 다르며, 각각 독립적으로 수소, C1~6의 알킬기 또는 방향족 치환기이고,R 1 to R 4 are the same as or different from each other, and each independently hydrogen, a C 1-6 alkyl group, or an aromatic substituent,

X-는 할로겐, OH-, 카보네이트, 하이드로젠 카보네이트, 술페이트, 아세테이트, 포르미에이트(formiate), 메탄올레이트(methanolate) 및 에탄올레이트(ethanolate)로 구성된 군으로부터 선택된 음이온이고,X- is an anion selected from the group consisting of halogen, OH-, carbonate, hydrogen carbonate, sulfate, acetate, formiate, methanolate and ethanolate,

n은 1 이상의 정수임.n is an integer of 1 or more.

본 발명의 다른 구현예에서, 상기 이가 산(diacid)은, 방향족 고리를 포함할 수 있다. In another embodiment of the present invention, the diacid may include an aromatic ring.

본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 이가 산은 2개의 분리된 페닐 고리를 가질 수 있다. In another embodiment of the invention, the divalent acid may have two separate phenyl rings.

본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 방향족 고리는, O-알킬, O-페닐, 알킬, 니트릴, COOH, 클로라이드, 플루오라이드, 니트로, 술포네이트, 포스포네이트, S-알킬, S-페닐, 술폰-페닐, 아실 및 벤조일로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 치환기에 의해 치환된 것일 수 있다.In another embodiment of the invention, the aromatic ring is O-alkyl, O-phenyl, alkyl, nitrile, COOH, chloride, fluoride, nitro, sulfonate, phosphonate, S-alkyl, S-phenyl, It may be substituted by one or more substituents selected from the group consisting of sulfone-phenyl, acyl and benzoyl.

본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 이가 산은, 하기 화학식 3의 이가 산 중 어느 하나일 수 있다. In another embodiment of the present invention, the divalent acid may be any one of the divalent acids of Formula 3 below.

Figure 112011026434140-pat00003
Figure 112011026434140-pat00003

본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 폴리벤즈이미다졸은 파라-PBI(para-PBI)일 수 있다. In another embodiment of the present invention, the polybenzimidazole may be para-PBI.

본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 폴리벤즈이미다졸리움은, 모노머로서, 폴리벤조옥사졸(polybenzoxazole, PBO), 폴리페닐퀴녹살린, 폴리벤조티아졸(polybenzothiazole, PBT), 테트라아민 및 카르복실산으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 모노머를 더 포함하는 공중합체일 수 있다. In another embodiment of the invention, the polybenzimidazolium, as the monomer, polybenzoxazole (polybenzoxazole, PBO), polyphenylquinoxaline, polybenzothiazole (PBT), tetraamine and carboxyl It may be a copolymer further comprising one or more monomers selected from the group consisting of acids.

본 발명의 또 다른 구현예에서, R1 내지 R4는 서로 동일하거나 다르며, 각각은 비치환, 수소, 메틸, 벤질, 기능성화된 벤질, 트리틸, 기능성화된 트리틸, tert-부틸 또는 그 조합일 수 있다. In another embodiment of the invention, R 1 to R 4 are the same or different from each other, each being unsubstituted, hydrogen, methyl, benzyl, functionalized benzyl, trityl, functionalized trityl, tert-butyl or May be a combination.

본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 폴리벤즈이미다졸리움은, 하기 화학식 4의 구조를 갖는 것일 수 있다. In another embodiment of the present invention, the polybenzimidazolium may be one having a structure of Formula 4 below.

Figure 112011026434140-pat00004
Figure 112011026434140-pat00004

본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 폴리벤즈이미다졸리움은, 하기 화학식 5의 구조를 갖는 것일 수 있다. In another embodiment of the present invention, the polybenzimidazolium may be one having a structure of Formula 5 below.

Figure 112011026434140-pat00005
Figure 112011026434140-pat00005

본 발명의 또 다른 구현예에서, X-는 OH-일 수 있다.In another embodiment of the invention, X- may be OH-.

본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 방향족 고리는, O-알킬로 치환될 수 있다. In another embodiment of the present invention, the aromatic ring may be substituted with O-alkyl.

본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 이가 산이 하기 화학식의 구조를 가질 때, 벤젠 고리의 OH기는 O-메틸화된 것일 수 있다.In another embodiment of the present invention, when the divalent acid has a structure of the following formula, the OH group of the benzene ring may be O-methylated.

Figure 112011026434140-pat00006
Figure 112011026434140-pat00006

본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 폴리벤즈이미다졸리움은, 교차결합된 것일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the polybenzimidazolium may be cross-linked.

본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 폴리벤즈이미다졸리움은, α, α'-디할로크실렌(dihaloxylene)으로 교차결합된 것일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the polybenzimidazolium may be cross-linked with α, α'-dihaloxylene (dihaloxylene).

본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 α, α'-디할로크실렌(dihaloxylene)은 α, α'-디브로모크실렌일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the α, α'-dihaloxylene may be α, α'-dibromoxylene.

본 발명의 한 구현예는 상기 언급한 폴리벤즈이미다졸리움을 포함하는 전해질 막을 개시한다. One embodiment of the present invention discloses an electrolyte membrane comprising the polybenzimidazolium mentioned above.

본 발명의 다른 구현예는, 상기 언급한 폴리벤즈이미다졸리움을 포함하는 촉매 바인더(catalyst bindner)를 개시한다.Another embodiment of the present invention discloses a catalyst binder comprising the polybenzimidazolium mentioned above.

본 발명의 다른 구현예는, 상기 전해질 막을 포함하는 연료 전지, 전해조 (electrolyzer) 또는 밧데리를 개시한다. Another embodiment of the present invention discloses a fuel cell, an electrolyzer or a battery comprising the electrolyte membrane.

본 발명의 다른 구현예는, 상기 촉매 바인더를 포함하는 연료 전지 또는 전해조를 개시한다. Another embodiment of the present invention discloses a fuel cell or an electrolytic cell comprising the catalyst binder.

본 발명을 이용하면, 불안정한 음이온 교환기의 단점을 보완함으로써, 높은 안정성과 고성능을 갖는 고분자 전해질 막 또는 촉매 바인더를 제공할 수 있는 효과가 있다. By using the present invention, it is possible to provide a polymer electrolyte membrane or a catalyst binder having high stability and high performance by supplementing the disadvantages of the unstable anion exchanger.

도 1은 1,3-디메틸-메타-폴리벤즈이미다졸리움 요오드화물의 DMSO-d6 중의 NMR 스펙트럼이다. 우측은 91% 메틸화도(84% 이미다졸리움)를 갖는 PBI에 대한 방향족 시그널이다.
도 2는 PBI-DCDPE (PBI-dicarboxyl acid-diphenylether) Me 2 73 I의 NMR 스펙트럼이다.
도 3a는 m-PBI의 I- 폴리벤즈이미다졸리움의 NMR을, 도 3b는 1,3-디메틸-2-페닐-벤즈이미다졸의 I- 이미다졸리움의 NMR 결과이다.
도 4는 1-(벤질)-2-페닐-벤즈이미다졸과 1-(4-메톡시벤질)-2-(4-메톡시페닐)-벤즈이미다졸의 KOH에 대한 가수분해 안정성을 비교하여 나타낸 도식도이다.
도 5는 벤조산 첨가 실험에 의해 벤조산이 형성되었었음을 확인하는 실험 결과이다.
1 is an NMR spectrum in DMSO-d6 of 1,3-dimethyl-meta-polybenzimidazolilium iodide. On the right is an aromatic signal for PBI with 91% methylation degree (84% imidazolium).
2 is an NMR spectrum of PBI-dicarboxyl acid-diphenylether (PBI-DCDPE) Me 2 73 I. FIG.
FIG. 3A shows NMR of I-polybenzimidazoli of m-PBI, and FIG. 3B shows NMR results of I-imidazolium of 1,3-dimethyl-2-phenyl-benzimidazole.
Figure 4 compares the hydrolytic stability of K- of 1- (benzyl) -2-phenyl-benzimidazole with 1- (4-methoxybenzyl) -2- (4-methoxyphenyl) -benzimidazole Schematic diagram shown.
5 is an experimental result confirming that benzoic acid was formed by the benzoic acid addition experiment.

본 명세서에서 사용된 용어 "폴리벤즈이미다졸리움(polybenzimidazolium)"은 폴리벤즈이미다졸에 음이온이 부가되어 형성된 염 형태의 고분자를 의미한다. 상기 폴리벤즈이미다졸리움은 모든 벤즈이미다졸 모노머에 음이온이 부가된 것뿐만 아니라 일부의 벤즈이미다졸 모노머에만 음이온이 부가된 것도 포함한다. 예컨대, 50% 이미다졸리움, 60% 이미다졸리움, 70% 이미다졸리움 등 전체 모노머 중 각각 50%, 60%, 70%의 모노머만 음이온이 부가된 이미다졸리움 형태인 것도 포함한다. 본 명세서에서 "PBI-XX_숫자_음이온"의 형태로 기재된 것에서, "XX"는 PBI의 주된 특징, 특히 이미다졸의 질소를 치환하는 치환기의 종류 및 개수를, "숫자"는 이미다졸리움의 비율을, "음이온"은 부가되는 음이온의 종류를 뜻한다. As used herein, the term "polybenzimidazolium" refers to a polymer in the form of a salt formed by the addition of anions to polybenzimidazole. The polybenzimidazolium includes not only anions added to all benzimidazole monomers but also anions added to only some benzimidazole monomers. For example, only 50%, 60%, and 70% of monomers, such as 50% imidazolium, 60% imidazolium, and 70% imidazolium, are in the form of imidazolium to which anions are added. In the description herein in the form of "PBI-XX_number_anion", "XX" refers to the main features of the PBI, in particular the type and number of substituents that substitute for the nitrogen of the imidazole, and "number" refers to the imidazolium The ratio "anion" refers to the kind of anion added.

화학식 1 또는 화학식 2의 구조에서 이미다졸의 "질소, N"은 각각 독립적으로 R1 내지 R4로 치환되지 않거나 치환될 수 있다. N이 치환되면 안정성이 증진될 수 있다. 치환되는 경우 R1 내지 R4는 알킬기 또는 방향족 치환기일 수 있다. 알킬기로는, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기 등의 C1-6의 저급 알킬기일 수 있다. 특히, 메틸기, 벤질기, 기능성화된 벤질기, 트리틸, 기능성화된 트리틸, tert-부틸 또는 그 조합인 것이 바람직하다. The "nitrogen, N" of imidazole in the structure of Formula 1 or Formula 2 may each independently be unsubstituted or substituted with R 1 to R 4 . When N is substituted, stability may be enhanced. When substituted, R 1 to R 4 may be an alkyl group or an aromatic substituent. The alkyl group may be a C 1-6 lower alkyl group such as methyl group, ethyl group, propyl group and butyl group. In particular, a methyl group, benzyl group, functionalized benzyl group, trityl, functionalized trityl, tert-butyl or a combination thereof is preferable.

화학식 1에서 A는 직접 결합이거나 산소일 수 있다. In Formula 1, A may be a direct bond or oxygen.

A가 산소인 경우의 예를 들면, 하기와 같은 PBI-OO (poly-[(1-(4,4_-diphenylether)-5-oxybenzimidazole)-benzimidazole])를 들 수 있다:For example, when A is oxygen, PBI-OO (poly-[(1- (4,4_-diphenylether) -5-oxybenzimidazole) -benzimidazole]) as follows:

Figure 112011026434140-pat00007
Figure 112011026434140-pat00007

상기 PBI-OO는 독일의 FUMA-Tech사로부터 구입 가능하다. The PBI-OO can be purchased from FUMA-Tech, Germany.

A가 직접결합인 경우의 예를 들면, 하기와 같은 PBI-DCDPE (PBI-dicarboxylic acid-diphenylether)를 들 수 있다. Examples of the case where A is a direct bond include PBI-DCDPE (PBI-dicarboxylic acid-diphenylether) as described below.

Figure 112011026434140-pat00008
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B는 1개 내지 5개의 헤테로원자를 갖는 이가 산(diacid)의 기일 수 있다. 여기서 "헤테로원자"라 함은 탄소 및 수소 이외의 원자라면 그 무엇이든 될 수 있다. 예컨대, 질소, 산소, 황, 인, 붕소, 염소, 브롬 또는 요오드 등일 수 있다. 한편, B는 9개 이상의 탄소 원자를 함유한 이가 산의 기일 수 있다. 9개 이상의 탄소 원자를 함유한 이가 산의 경우 폴리벤즈이미다졸리움 구조의 안정성이 현저히 증가한다. B는 방향족 고리를 포함하는 기일 수 있는데, 특히 2개의 분리된 페닐 고리를 가질 수 있다. 상기 2개의 페닐 고리는 헤테로 원자에 의해 분리될 수 있다. 2개의 페닐 고리는 화합물의 구조 안정성에 기여한다. 그 이유는, 이미다졸의 양전하가 구조 안정화를 위해 이미다졸 고리와 페닐 고리를 돌아다니게 되는데, 페닐 고리가 하나만 있으면 두 개의 양전하가 하나의 페닐 고리로 집중되므로, 구조 안정화 효과가 약하다. 페닐 고리가 두 개 이상이면 두 개의 양전하가 두 개 이상의 페닐 고리에 분산되어 돌아다닐 수 있으므로, 구조가 안정화된다. 한편, 상기 페닐 고리는 O-알킬 등으로 더 치환될 수 있다. 이와 같은 치환을 통해 화합물의 구조는 더욱 안정화된다. 다시 말하면, 2-위치의 페닐기가 메톡시와 같은 전자 공여기(electron donation group, +M-effect)로 치환되는 경우, 화합물의 안정성은 현저히 향상된다. B may be a group of diacids having 1 to 5 heteroatoms. Here, the term "heteroatom" may be any atom other than carbon and hydrogen. For example, it may be nitrogen, oxygen, sulfur, phosphorus, boron, chlorine, bromine or iodine and the like. Meanwhile, B may be a group of divalent acid containing 9 or more carbon atoms. Divalent acids containing more than 9 carbon atoms significantly increase the stability of the polybenzimidazolium structure. B may be a group comprising an aromatic ring, in particular having two separate phenyl rings. The two phenyl rings may be separated by hetero atoms. Two phenyl rings contribute to the structural stability of the compound. The reason for this is that the positive charge of the imidazole moves around the imidazole ring and the phenyl ring to stabilize the structure. If there is only one phenyl ring, two positive charges are concentrated on one phenyl ring, and thus the structure stabilization effect is weak. If more than one phenyl ring is present, the two positive charges can be dispersed in two or more phenyl rings, so that the structure is stabilized. On the other hand, the phenyl ring may be further substituted with O-alkyl and the like. Such substitution further stabilizes the structure of the compound. In other words, when the 2-position phenyl group is substituted with an electron donation group (+ M-effect) such as methoxy, the stability of the compound is significantly improved.

본 명세서에서 폴리벤즈이미다졸은 메타-PBI, 파라-PBI, AB-PBI[폴리(2,5-벤즈이미다졸)], 또는 다른 유도체들 모두 포함된다. 메타-PBI는 화학식 1 또는 2의 "B"가 방향족 고리일 때, 방향족 고리의 1, 3번이 벤즈이미다졸과 결합한 PBI를 의미한다. 예컨대, 폴리(2,2'-(1,3-페닐렌)5,5'-바이벤즈이미다졸)을 들 수 있다. 파라-PBI는 화학식 1 또는 2의 "B"의 방향족 고리의 1,4번이 벤즈이미다졸과 결합한 PBI를 의미한다. 예컨대, 폴리(2,2'-(1,4-페닐렌)5,5'-바이벤즈이미다졸)을 들 수 있다. 그 외에, 피리딘-PBI(PPBI) 또는 2OH-PBI[폴리-(2,2'-(2,5-디히드록시-1,4-페닐렌)5,5'-바이벤즈이미다졸)] 등도 포함된다. 상기 PBI를 기본 구조로 하여 화학식 1 또는 2의 구조 즉, "B"가 헤테로원자 또는 9개 이상의 탄소수를 갖는 이가 산에 의한 결합이 되도록 치환기로 치환될 수 있다. 예컨대, 2OH-PBI[폴리-(2,2'-(2,5-디히드록시-1,4-페닐렌)5,5'-바이벤즈이미다졸)]에서 "OH"는 "O-메틸기"로 치환될 수 있다. 2OH-PBI[폴리-(2,2'-(2,5-디히드록시-1,4-페닐렌)5,5'-바이벤즈이미다졸)]은 논문(Seonghan Yu, et al., Macromolecules 2009, 42, 8640-8648)에 자세히 개시되어 있다. Polybenzimidazoles herein include meta-PBI, para-PBI, AB-PBI [poly (2,5-benzimidazole)], or other derivatives. Meta-PBI means PBI in which No. 1 and 3 of the aromatic ring are bonded to benzimidazole when “B” of Formula 1 or 2 is an aromatic ring. For example, poly (2,2 '-(1,3-phenylene) 5,5'-bibenzimidazole) can be mentioned. Para-PBI means PBI in which No. 1 and 4 of the aromatic ring of “B” of Formula 1 or 2 are bonded with benzimidazole. For example, poly (2,2 '-(1,4-phenylene) 5,5'-bibenzimidazole) is mentioned. In addition, pyridine-PBI (PPBI) or 2OH-PBI [poly- (2,2 '-(2,5-dihydroxy-1,4-phenylene) 5,5'-bibenzimidazole)] and the like Included. The PBI may be substituted with a substituent such that the structure of Formula 1 or 2, that is, "B" is a hetero atom or a bond by divalent acid having 9 or more carbon atoms. For example, in 2OH-PBI [poly- (2,2 '-(2,5-dihydroxy-1,4-phenylene) 5,5'-bibenzimidazole)] "OH" is an "O-methyl group May be substituted with ". 2OH-PBI [poly- (2,2 '-(2,5-dihydroxy-1,4-phenylene) 5,5'-bibenzimidazole)] was published in Seonghan Yu, et al., Macromolecules 2009, 42, 8640-8648.

화학식 1 또는 2에서 "X-" 음이온은 할로겐, OH-, 카보네이트, 하이드로젠 카보네이트, 술페이트, 아세테이트, 포르미에이트(formiate), 메탄올레이트(methanolate) 및 에탄올레이트(ethanolate)로 구성된 군으로부터 선택된 음이온일 수 있다. X-가 OH-인 경우 이온 전도도가 매우 높은 장점이 있다. 그러나, X-가 OH-인 폴리벤즈이미다졸리움 전해질 막은 구조가 매우 불안정하기 때문에 쉽게 분해되거나 부서진다. 본 발명은 이러한 문제점을 여러 가지 수단을 통해 해결하는 것이다. 첫째로, 벤즈이미다졸의 질소에 치환기를 부가하는 방법, 둘째, 화학식 1 또는 2의 "B"를 변화시키는 방법, 셋째, 교차결합(크로스링킹)을 통해 안정화시키는 방법을 들 수 있다. 이와 같은 수단을 통해 OH-기로 이온 교환된 이온 교환 막 또는 수지는 매우 안정한 상태를 유지할 수 있다. The "X-" anion in Formula 1 or 2 is selected from the group consisting of halogen, OH-, carbonate, hydrogen carbonate, sulphate, acetate, formiate, methanolate and ethanolate It may be an anion. When X- is OH-, there is an advantage that the ion conductivity is very high. However, polybenzimidazolium electrolyte membranes, wherein X- is OH-, are easily decomposed or broken because the structure is very unstable. The present invention solves this problem through various means. First, a method of adding a substituent to the nitrogen of benzimidazole, second, a method of changing the "B" of the formula (1) or 2, and third, a method of stabilizing through crosslinking (crosslinking). Through such means, the ion exchange membrane or resin ion-exchanged with the OH- group can maintain a very stable state.

하이드록시드 교환된 음이온 교환 막은 통상 할라이드 함유 막을 포타슘 하이드록시드(KOH) 용액에 담금으로써 쉽게 얻어질 수 있다. Hydroxide exchanged anion exchange membranes can usually be readily obtained by dipping a halide containing membrane in potassium hydroxide (KOH) solution.

본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 폴리벤즈이미다졸리움은, 모노머로서, 폴리벤조옥사졸(polybenzoxazole, PBO), 폴리페닐퀴녹살린, 폴리벤조티아졸(polybenzothiazole, PBT), 테트라아민 및 카르복실산으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 모노머를 더 포함하는 공중합체일 수 있다. 상기 PBO의 구체적인 예로서, 폴리(2,2'-[산 모노머]-5,5'-바이벤즈옥사졸)[산 모노머] (예컨대, 4,4'-디페닐에테르)를 들 수 있다. 상기 PBT의 구체적인 예로서, 폴리(2,2'-[산 모노머]-5,5'-바이벤조티아졸)을 들 수 있다. 그 외에도, 3,3',4,4'-테트라아미노바이페닐, 2,3,5,6-테트라아미노피리딘, 1,2,4,5-테트라아미노벤젠, 비스(3,4-디아미노페닐)설폰, 비스(3,4-디아미노페닐)에테르, 3,3',4,4'-테트라아미노벤조페논, 3,3'4,4'-테트라아미노디페닐메탄 및 3,3',4,4'-테트라아미노디페닐디메틸메탄과 같은 테트라아미노 화합물 모노머를 더 포함할 수 있다. 또한, 5-히드록시이소프탈산, 4-히드록시이소프탈산, 2-히드록시이소프탈산, 2,5-디히드록시테레프탈산, 2,6-디히드록시이소프탈산, 4,6-디히드록시이소프탈산, 2,3-디히드록시프탈산, 2,4-디히드록시프탈산, 3,4-디히드록시프탈산, 1,4-나프탈렌디카르복실산, 1,5-나프탈렌디카르복실산, 2,6-나프탈렌디카르복실산, 2,7-나프탈렌디카르복실산, 디페닉산, 1,8-디히드록시나프탈렌-3,6-디카르복실산, 비스(4-카르복시페닐)에테르, 바이페닐-4,4'-디카르복실산, 4,4'-스틸벤디카르복실산과 같은 카르복실산 모노머를 더 포함할 수 있다.  In another embodiment of the invention, the polybenzimidazolium, as the monomer, polybenzoxazole (polybenzoxazole, PBO), polyphenylquinoxaline, polybenzothiazole (PBT), tetraamine and carboxyl It may be a copolymer further comprising one or more monomers selected from the group consisting of acids. Specific examples of the PBO include poly (2,2 '-[acid monomer] -5,5'-bibenzoxazole) [acid monomer] (for example, 4,4'-diphenyl ether). Specific examples of the PBT include poly (2,2 '-[acid monomer] -5,5'-bibenzothiazole). In addition, 3,3 ', 4,4'-tetraaminobiphenyl, 2,3,5,6-tetraaminopyridine, 1,2,4,5-tetraaminobenzene, bis (3,4-diamino Phenyl) sulfone, bis (3,4-diaminophenyl) ether, 3,3 ', 4,4'-tetraaminobenzophenone, 3,3'4,4'-tetraaminodiphenylmethane and 3,3' It may further comprise a tetraamino compound monomer, such as 4,4'-tetraaminodiphenyldimethylmethane. 5-hydroxyisophthalic acid, 4-hydroxyisophthalic acid, 2-hydroxyisophthalic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, 2,6-dihydroxyisophthalic acid, 4,6-dihydroxyiso Phthalic acid, 2,3-dihydroxyphthalic acid, 2,4-dihydroxyphthalic acid, 3,4-dihydroxyphthalic acid, 1,4-naphthalenedicarboxylic acid, 1,5-naphthalenedicarboxylic acid, 2 , 6-naphthalenedicarboxylic acid, 2,7-naphthalenedicarboxylic acid, diphenic acid, 1,8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, bis (4-carboxyphenyl) ether, It may further include a carboxylic acid monomer such as biphenyl-4,4'-dicarboxylic acid, 4,4'-steelbendicarboxylic acid.

화학식 1 또는 2에서 n은 1 이상의 정수일 수 있다. 다른 양태에서는 n은 20 내지 500의 정수일 수 있다. 또 다른 양태에서는 n은 80 내지 200일 수 있다. 또 다른 양태에서 n은 96 내지 175일 수 있다. 본 명세서에 기재된 폴리벤즈이미다졸리움 고분자의 분자량(Mn)은 40,000 내지 70,000일 수 있다. In Formula 1 or 2 n may be an integer of 1 or more. In other embodiments n can be an integer from 20 to 500. In another embodiment n can be from 80 to 200. In another embodiment n can be 96 to 175. The molecular weight (Mn) of the polybenzimidazolium polymer described herein may be 40,000 to 70,000.

본 명세서에서 "밧데리"라 함은 플로우 밧데리(flow battery)를 포함하는 광의의 개념이다. 특히, 레독스 플로우 셀(redox flow cell)을 포함한다.
In the present specification, the term "battery" is a broad concept that includes a flow battery. In particular, it includes a redox flow cell.

이하에서, 실시예를 들어 본 발명을 설명하고자 하지만, 이는 예시적인 목적에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하고자 함이 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described with reference to Examples, but this is only for illustrative purposes and is not intended to limit the scope of the present invention.

<제조예 1:퍼메틸 m-PBI 요오드화물의 제조(Permethylation of meta-PBI (PBI-Me2 XX I)>Preparation Example 1 Preparation of Permethyl m-PBI Iodide (Permethylation of meta-PBI (PBI-Me2 XX I ))

PPA 공정(L. Xiao et al., Fuel Cells, 2005, 5 (2), 287-295)에 따라 이소프탈산 및 3,3',4,4'-테트라아미노바이페닐(TAB)로부터 메타(meta)-PBI를 제조하였다. 모든 시약들은 Sigma 사로부터 얻었다. 아르곤 분위기 하에서 160℃에서 509.1mg 메타-PBI를 15 ml의 드라이 NMP 중의 400mg의 리튬 클로라이드의 혼합물에 에 용해시켰다. 얻어진 용액을 실온으로 냉각시키고 170mg의 소디움 하이드라이드 (60%의 헥산 중 서스펜션) 및 1ml의 요오도메탄을 첨가하고 밤새 반응시켰다. 1ml의 요오도메탄을 더 첨가하고 온도를 80℃로 올렸다. 밝은 색상의 침전물이 형성되는 것을 관찰할 수 있었다. 하루 지나 상기 혼합물을 실온으로 냉각하고 200ml의 아세톤 안으로 부었다. 대안으로, 과량의 요오도메탄은 침전 단계 전에 암모니아수와 반응시켜 분해시킬 수 있다. 여과로 얻어진 침전물을 아세톤으로 세척하고 건조시킨 후 450ml의 탈이온수에 밤새 담그었다. 여과 후 고분자를 40℃의 진공에서 건조시켜, 약간 갈색 빛의 고분자 702.7mg을 얻었다. Meta from isophthalic acid and 3,3 ', 4,4'-tetraaminobiphenyl (TAB) according to PPA process (L. Xiao et al., Fuel Cells, 2005, 5 (2), 287-295) ) -PBI was prepared. All reagents were obtained from Sigma. 509.1 mg meta-PBI was dissolved in a mixture of 400 mg of lithium chloride in 15 ml of dry NMP at 160 ° C. under argon atmosphere. The resulting solution was cooled to room temperature and 170 mg of sodium hydride (suspension in 60% hexane) and 1 ml of iodomethane were added and reacted overnight. 1 ml of iodomethane was further added and the temperature was raised to 80 ° C. A bright colored precipitate could be observed. After one day the mixture was cooled to room temperature and poured into 200 ml of acetone. Alternatively, excess iodomethane can be decomposed by reacting with ammonia water before the precipitation step. The precipitate obtained by filtration was washed with acetone, dried and soaked in 450 ml of deionized water overnight. After filtration, the polymer was dried in a vacuum at 40 ° C. to give 702.7 mg of a slightly brownish polymer.

그 결과는 도 1에 나타난 바와 같다. DMSO 용액을 약 160℃까지 가열해야 메틸화가 일어났다. 그 결과 낮은 메틸화도를 갖는 물질들이 얻어졌다. 여기서 이미다졸리움이 45%인 메틸-PBI 요오드화물을 "PBI-Me2 45 I"라 지칭하고, 65% 이미다졸리움 메틸-PBI 요오드화물을 "PBI-Me2 65 I"라 지칭한다. The results are shown in Fig. The DMSO solution was heated to about 160 ° C. to cause methylation. As a result, materials having a low degree of methylation were obtained. Methyl-PBI iodide with 45% imidazolium is referred to as "PBI-Me2 45 I" and 65% imidazolium methyl-PBI iodide is referred to as "PBI-Me2 65 I".

도 1의 NMR 스펙트럼은 퍼메틸화 PBI인데, 단지 4개의 넓은 신호가 8.21과 8.78 사이 방향족 영역에 나타났다. 이에 반해, 더 낮은 치환도를 갖는 고분자들은 7.7 및 8.9 ppm 사이에서 여러가지 더 많은 신호가 나타났다.
The NMR spectrum of FIG. 1 is permethylated PBI, with only four broad signals appearing in the aromatic region between 8.21 and 8.78. In contrast, polymers with lower degrees of substitution showed many more signals between 7.7 and 8.9 ppm.

<제조예 2: 모노벤질-PBI 브롬화물의 제조 1(Monobenzylation of meta-PBI, (PBI-Bn1 XX Br) >Production Example 2: Preparation of monobenzyl-PBI bromide 1 (Monobenzylation of meta-PBI, (PBI-Bn1 XX Br)>

500mg의 리튬 클로라이드를 비활성 분위기하에서 10ml의 드라이 NMP에 용해시켰다. 558mg의 메타-PBI를 첨가하고 165℃에서 밤새 교반하였다. 어두운 색상의 용액을 실온으로 냉각시키고 170mg의 소디움 하이드라이드(헥산 중 60%) 및 1.3ml의 벤질 브로마이드를 이어서 첨가하였다. 5시간 후 온도를 하룻동안 80℃로 올렸다. 또한, 0.6ml의 벤질 브로마이드를 첨가하고 온도를 100℃로 셋팅하였다. 24시간 후 용액(침전물이 관찰되지 않았음)을 실온으로 냉각시키고 5ml 암모니아수를 첨가하고 2.5시간동안 반응시켰다. 150ml 아세톤에 침전된 고분자를 여과하고 아세톤으로 세척한 후 건조시키고 물 중에 분산시켜 남은 염들을 제거하였다. 고분자를 다시 여과로 회수하고 감압하 60℃에서 건조시켰다. 건조 중량은 밝은 색 물질 약 886mg이었다. NMR 데이터는 다음과 같았다:500 mg of lithium chloride was dissolved in 10 ml of dry NMP under inert atmosphere. 558 mg of meta-PBI was added and stirred at 165 ° C. overnight. The dark colored solution was cooled to room temperature and 170 mg sodium hydride (60% in hexane) and 1.3 ml benzyl bromide were then added. After 5 hours the temperature was raised to 80 ° C. for one day. In addition, 0.6 ml of benzyl bromide was added and the temperature was set to 100 ° C. After 24 hours the solution (no precipitate was observed) was cooled to room temperature and 5 ml of ammonia water was added and allowed to react for 2.5 hours. The polymer precipitated in 150 ml acetone was filtered, washed with acetone, dried and dispersed in water to remove the remaining salts. The polymer was recovered again by filtration and dried at 60 ° C. under reduced pressure. The dry weight was about 886 mg of the light colored material. NMR data were as follows:

NMR (DMSO-d6): δ= 5.29 - 6.28 (3.9H, BnCH2), 6.90 - 9.16 (22.0H, aromatic signals). NMR (DMSO-d 6): δ = 5.29-6.28 (3.9H, BnCH 2 ), 6.90-9.16 (22.0H, aromatic signals).

상기 NMR 데이터에 따르면, 상기 고분자는 모노벤질화된 것이다.
According to the NMR data, the polymer is monobenzylated.

<제조예 3: 벤질-PBI 브롬화물의 제조 2 (Benzylation of meta-PBI (PBI-Bn2 XX Br))>Preparation Example 3 Preparation of Benzyl-PBI Bromide 2 (Benzylation of meta-PBI (PBI-Bn 2 XX Br))

160℃ 및 아르곤 분위기 하에서, 548.4mg의 메타-PBI를, 500mg의 리튬 클로라이드 및 10ml의 건조 NMP의 혼합물 중에 용해시켰다. 실온에서, 170mg의 소디움 하이드라이드(헥산 중 60% 서스펜션) 및 1ml의 벤질 브로마이드를 첨가하고 얻어진 혼합물을 15시간동안 80℃에서 교반하였다. 1ml의 벤질 브로마이드를 더 첨가한 후 온도를 160℃로 올리고 9시간동안 교반하였다. 1ml의 벤질 브로마이드를 더 첨가한 후 온도를 다시 실온으로 떨어뜨렸다. 15시간 후에 0.5ml를 수거하여 NMR 분석을 수행하였다. 그 결과 상기 고분자는 반복 단위 당 3개의 벤질기를 포함한 것으로 나타났다(75% 치환, 50% 이미다졸리움 브로마이드). 1ml의 벤질 브로마이드를 또 첨가하고 온도를 80℃로 올리고 1일간 교반하였다. 그 결과 얻어진 고점도 생성물을 10ml의 NMP로 희석하고 200ml의 아세톤에 침전시키고, 여과, 세척 한 후 40℃, 진공에서 건조시켰다. 얻어진 고분자 분말을 400ml 증류수에 밤새 침지시킨 후 여과, 세척 및 40℃에서의 진공 건조시켰다. 그 결과 937mg의 고분자 분말을 얻었다. NMR 분석 결과 최종 산물은 반복 단위 당 3.3개의 벤질기를 가지고 있었고, 이는 모든 이미다졸 모이어티 중 63%가 이미다졸리움 브로마이드로 변환된 것에 해당한다.
Under 160 ° C. and argon atmosphere, 548.4 mg of meta-PBI was dissolved in a mixture of 500 mg of lithium chloride and 10 ml of dry NMP. At room temperature, 170 mg sodium hydride (60% suspension in hexane) and 1 ml benzyl bromide were added and the resulting mixture was stirred at 80 ° C. for 15 hours. After further adding 1 ml of benzyl bromide, the temperature was raised to 160 ° C. and stirred for 9 hours. After further addition of 1 ml of benzyl bromide, the temperature was lowered back to room temperature. After 15 hours 0.5 ml was collected for NMR analysis. The polymer was found to contain three benzyl groups per repeat unit (75% substitution, 50% imidazolium bromide). 1 ml of benzyl bromide was further added and the temperature was raised to 80 ° C. and stirred for 1 day. The resulting high viscosity product was diluted with 10 ml of NMP, precipitated in 200 ml of acetone, filtered, washed and dried in vacuo at 40 ° C. The polymer powder obtained was immersed in 400 ml of distilled water overnight, then filtered, washed and vacuum dried at 40 ° C. As a result, 937 mg of polymer powder was obtained. NMR analysis showed that the final product had 3.3 benzyl groups per repeat unit, corresponding to 63% of all imidazole moieties converted to imidazolium bromide.

<제조예 4: 메틸, 벤질-PBI 요오드화물의 제조 (Methylation of monobenzylated meta-PBI (PBI-BnMe XX I))>Preparation Example 4 Preparation of Methyl, Benzyl-PBI Iodide (Methylation of monobenzylated meta-PBI (PBI-BnMe XX I))

521.9mg의 1-벤질-메타-폴리벤즈이미다졸을 실온에서 20ml의 DMSO에 용해시켰다. 1ml의 요오도메탄을 첨가하고 얻어진 용액을 80℃에서 17시간동안 교반시켰다. 0.5ml의 요오도메탄을 더 첨가하고 반응을 24시간 더 진행시켰다. 주위 온도로 냉각시킨 후 3ml의 암모니아수를 첨가하고 약 1시간동안 반응시켰다. 얻어진 고분자를 200ml의 아세톤에서 침전시킨 후 여과하고 40℃ 진공에서 3시간동안 건조시킨 후 400ml 물에 밤새 분산시킨 후 여과하고 물로 세척한 후 40℃ 진공에서 다시 건조시켰다. 그 결과 건조된 고분자 603mg을 얻었다. 황색 고분자를 DMSO에서 빠르게 용해시킨 후 NMR을 시행한 결과, 평균적 반복 단위는 약 2.2개의 벤질기와 1.25개의 메틸기를 포함하였다(72% 이미다졸리움 및 28% 이미다졸기에 대응). 521.9 mg of 1-benzyl-meth-polybenzimidazole was dissolved in 20 ml of DMSO at room temperature. 1 ml of iodomethane was added and the resulting solution was stirred at 80 ° C. for 17 hours. More 0.5 ml of iodomethane was added and the reaction proceeded for another 24 hours. After cooling to ambient temperature, 3 ml of ammonia water was added and reacted for about 1 hour. The polymer obtained was precipitated in 200 ml of acetone, filtered, dried for 3 hours at 40 ° C. in vacuum, dispersed in 400 ml overnight, filtered, washed with water, and dried again at 40 ° C. in vacuum. As a result, 603 mg of dried polymer was obtained. As a result of rapid dissolution of the yellow polymer in DMSO, NMR showed that the average repeating unit contained about 2.2 benzyl groups and 1.25 methyl groups (corresponding to 72% imidazolium and 28% imidazole groups).

1H NMR (300 MHz, DMSO-d 6, δ: 7.95 - 8.99 (4.5H, aromatic signals), 1 H NMR (300 MHz, DMSO- d 6 , δ: 7.95-8.99 (4.5H, aromatic signals),

6.96 - 7.66 (7.4H, aromatic signals), 5.33 - 6.24 (2.3H, BnCH2), 3.76 - 4.24 (2.0H, Me).
6.96-7.66 (7.4H, aromatic signals), 5.33-6.24 (2.3H, BnCH 2 ), 3.76-4.24 (2.0H, Me).

<제조예 5: PBI-DCDPE 및 PBI-DCDPE Me 2 I의 제조>Preparation Example 5 Preparation of PBI-DCDPE and PBI-DCDPE Me 2 I

먼저 PBI-DCDPE (PBI-dicarboxylic acid-diphenylether)를 제조한 후 음이온인 I-를 부가하였다. First, PBI-DCDPE (PBI-dicarboxylic acid-diphenylether) was prepared, and then an anion I- was added.

5g의 P2O5 를 아르곤 대기 하에서 27ml의 메탄술폰산에 용해시켰다. 4,4'-디카르복실산-디페닐에테르 1.2911g(5mmol) 및 디아미노벤지딘 1.0708g(5mmol)을 혼합하고 80℃에서 상기 용액에 첨가하였다. 온도를 145-155℃로 올리고 용액을 그 온도에서 45분간 교반하였다. 1L의 빙수에 부어 고분자를 석출시키고 밤새 교반하고 1일간 60℃에서 5% 소디움 카보네이트 용액으로 세척하고 다시 1일간 60℃에서 물로 세척하였다. 진공하에서 60℃에서 건조시켜 하기 화학식을 갖는 고분자를 2.0854g(이론치 104%) 얻었다. 5 g of P 2 O 5 was dissolved in 27 ml of methanesulfonic acid under an argon atmosphere. 1.2911 g (5 mmol) of 4,4'-dicarboxylic acid-diphenyl ether and 1.0708 g (5 mmol) of diaminobenzidine were mixed and added to the solution at 80 ° C. The temperature was raised to 145-155 ° C. and the solution stirred at that temperature for 45 minutes. Pour into 1 L of ice water to precipitate the polymer, stir overnight, wash with 5% sodium carbonate solution at 60 ° C. for 1 day and again with water at 60 ° C. for 1 day. It dried at 60 degreeC under vacuum and obtained 2.0854g (104% of theory) of a polymer which has a following formula.

NMR (300 MHz, DSMSO): 8.30 (d, 4H, 5.37), 7.87 (s, 2H), 7.70 (d, 2H, 6.34 Hz), 7.58 (d, 2H, 7.33 Hz), 7.32 (d, 4H, 5.37 Hz)NMR (300 MHz, DSMSO): 8.30 (d, 4H, 5.37), 7.87 (s, 2H), 7.70 (d, 2H, 6.34 Hz), 7.58 (d, 2H, 7.33 Hz), 7.32 (d, 4H, 5.37 Hz)

(PBI-DCDPE의 화학식)(Formula of PBI-DCDPE)

Figure 112011026434140-pat00009
Figure 112011026434140-pat00009

상기에서 얻어진 PBI-DCDPE 504.9mg을 드라이 NMP 및 400mg LiCl에 용해시켰다. 170mg의 소디움 하이드라이드 (헥산 중 60%) 및 1ml의 요오도메탄을 연속적으로 첨가하였다. 얻어진 혼합물을 밤새 40℃에서 교반시켰다. 1ml의 요오도메탄을 첨가하고 온도를 80℃로 올렸다. 24시간 후에 200ml 아세톤 중에 고분자가 석출되었다. 아세톤 중에 하루 방치한 후 고분자를 200ml의 물로 세척하였다. 여과 및 진공 하 70-80℃에서의 건조에 의해 고분자를 얻었다. 얻어진 고분자를 15ml의 DMSO에 용해시키고 일부 용매를 제거하고 용액을 유리판 상에 캐스팅하고 40℃에서 건조시켰다. 그 결과 하기 화학식을 갖는 폴리벤즈이미다졸리움, PBI-DCDPE Me 2 73 I (73% 이미다졸리움, 27% 이미다졸 유니트)을 얻었다. 그 NMR 스펙트럼은 도 2에 나타난 바와 같다. 504.9 mg of PBI-DCDPE obtained above was dissolved in dry NMP and 400 mg LiCl. 170 mg sodium hydride (60% in hexane) and 1 ml iodomethane were added sequentially. The resulting mixture was stirred overnight at 40 ° C. 1 ml of iodomethane was added and the temperature raised to 80 ° C. After 24 hours, the polymer precipitated in 200 ml acetone. After standing in acetone for one day, the polymer was washed with 200 ml of water. The polymer was obtained by filtration and drying at 70-80 ° C. under vacuum. The resulting polymer was dissolved in 15 ml of DMSO, some solvent was removed and the solution was cast on a glass plate and dried at 40 ° C. As a result, polybenzimidazolium, PBI-DCDPE Me 2 73 I (73% imidazolium, 27% imidazole unit) having the following formula was obtained. The NMR spectrum is as shown in FIG.

(PBI-DCDPE Me 2 I의 화학식)(Formula of PBI-DCDPE Me 2 I)

Figure 112011026434140-pat00010

Figure 112011026434140-pat00010

<제조예 6: 막의 제조>Production Example 6: Preparation of Membrane

상기 얻어진 고분자 배치를 실온 (또는 탈메틸화를 위해서는 160℃)에서 20ml 디메틸술폭시드 중에 용해시켰다. 용액이 여전히 가시적인 침전물을 포함하고 있는 경우 12000rpm에서 원심분리하고 디캔팅(decant)하였다. 맑은 용액이 얻어지면 0.45㎛ PTFE 필터를 통해 여과하였다. 여과된 용액을 플랫 버텀 페트리 디쉬(flat bottom petri dish)로부터 감압하 증발시켰다. 건조된 막은 물로 스웰링(swelling)시킨 후에는 유리로부터 쉽게 탈적층되었다.
The polymer batch obtained above was dissolved in 20 ml dimethyl sulfoxide at room temperature (or 160 ° C. for demethylation). If the solution still contained visible precipitate, it was centrifuged and decanted at 12000 rpm. Once a clear solution was obtained it was filtered through a 0.45 μm PTFE filter. The filtered solution was evaporated under reduced pressure from a flat bottom petri dish. The dried membrane was easily delaminated from the glass after swelling with water.

<제조예 7: 교차결합된 막의 제조 1>Preparation Example 7 Preparation of Crosslinked Membrane 1

65% 이미다졸리움 요오다이드-변형 메타-PBI 45mg을 실온에서 DMSO에 용해시켰다. 얻어진 용액을 여과하고 3mg의 α,α'-디브로모-p-크실렌을 첨가하고 맑은 용액을 40℃ 진공 하에서 증발시켰다. 그 후 건조된 고분자를 80℃ 진공에서 8시간동안 유지시켰다. 그 결과 얻어진 교차결합된 고분자 34.6mg을 9ml의 DMSO에 침지시키고 그 혼합물을 실온에서 4.5일간 강하게 교반시켰다. 분산액을 0.45㎛ PTFE 필터를 통해 여과하고 여과물을 60℃ 진공에서 건조시켜 농축하였다. 4.9mg의 고분자가 얻어졌고, 이는 86%의 젤 함량에 대응하는 것이다.
45 mg of 65% imidazolium iodide-modified meta-PBI was dissolved in DMSO at room temperature. The resulting solution was filtered and 3 mg of α, α′-dibromo- p- xylene was added and the clear solution was evaporated under 40 ° C. vacuum. The dried polymer was then maintained at 80 ° C. vacuum for 8 hours. 34.6 mg of the resulting crosslinked polymer was immersed in 9 ml of DMSO and the mixture was vigorously stirred at room temperature for 4.5 days. The dispersion was filtered through a 0.45 μm PTFE filter and the filtrate was concentrated to dryness in 60 ° C. vacuum. 4.9 mg of polymer was obtained, corresponding to a gel content of 86%.

<제조예 8: 교차결합된 막의 제조 2>Preparation Example 8 Preparation of Crosslinked Membrane 2

PBI-DCDPE Me 2 36 I (36%의 이미다졸리움)을 DMSO에 용해시키고 여과한 후 10중량%의 α,α'-디브로모-p-크실렌을 첨가하고 그 용액을 페트리 디쉬에 부어 커버하고 80℃에서 8시간동안 유지시켰다. 40℃ 진공 하에서 용매를 증발시켜 막을 얻었다. 그 막은 DMAc에 용해되지 않았다. 젤 함량은 약 100%이었다.
PBI-DCDPE Me 2 36 I (36% imidazolium) was dissolved in DMSO and filtered, then 10% by weight of α, α'-dibromo- p- xylene was added and the solution was poured into Petri dishes to cover And maintained at 80 ° C. for 8 hours. The membrane was obtained by evaporation of the solvent under 40 ° C. vacuum. The membrane was not dissolved in DMAc. The gel content was about 100%.

<제조예 9: OH-를 갖는 폴리벤즈이미다졸리움의 제조>Preparation Example 9 Preparation of Polybenzimidazolium Having OH—

상기에서 얻어진 PBI 요오드화물로 제조된 막을 KOH 용액에 수일간 침지시킨 후 세척함으로써 음이온으로서 OH-를 갖는 폴리벤즈이미다졸리움을 제조하였다.A polybenzimidazolium having OH- as an anion was prepared by immersing the membrane prepared with PBI iodide obtained above in KOH solution for several days and then washing.

상기 제조예 1에서 제조된 퍼메틸 m-PBI 요오드화물을 가지고 상기 제조예 6에 따라 제조된 막을 0.5 M 에탄올릭 KOH 및 10% 물에 2일간 침지시킨 후 5시간 동안 물로 세척함으로써 PBI-Me2 84 OH 막을 제조하였다. The membrane prepared according to Preparation Example 6 with the permethyl m-PBI iodide prepared in Preparation Example 1 was immersed in 0.5 M ethanol KOH and 10% water for 2 days, and then washed with water for 5 hours to prepare PBI-Me2 84 OH membranes were prepared.

또한, 상기 제조예5에서 제조된 PBI-DCDPE Me 2 I을 1M KOH 용액에 3일간 침지시켜 PBI-DCDPE Me2 73 OH 막을 제조하였다.
In addition, PBI-DCDPE Me 2 I prepared in Preparation Example 5 was immersed in 1M KOH solution for 3 days to prepare a PBI-DCDPE Me2 73 OH membrane.

<실험예 1: 2-페닐 치환체의 안정화 효과>Experimental Example 1: Stabilization Effect of 2-phenyl Substituter

이미다졸리움의 양전하는 시스템을 안정화시키기 위하여, 하기 화학식에 도시된 바와 같이, 2-위치에 있는 페닐 고리를 떠돌면서 계속 위치를 바꿀 수 있다. The positive charge of the imidazolium may continue to be repositioned while wandering the phenyl ring in the 2-position, as shown in the formula below.

Figure 112011026434140-pat00011
Figure 112011026434140-pat00011

2-위치의 페닐 고리에 의한 안정화 효과에 대해 알아보기 위하여, 아래 두 화학식을 갖는 m-PBI의 I- 폴리벤즈이미다졸리움 및 1,3-디메틸-2-페닐-벤즈이미다졸의 I- 이미다졸리움에 대하여 NMR을 측정하였다. 그 결과는 도 3a 및 도 3b에 나타내었다. 도 3a는 m-PBI의 I- 폴리벤즈이미다졸리움의 NMR을, 도 3b는 1,3-디메틸-2-페닐-벤즈이미다졸의 I- 이미다졸리움의 NMR 결과이다. In order to examine the stabilizing effect of the 2-position phenyl ring, I-imides of I-polybenzimidazoli and 1,3-dimethyl-2-phenyl-benzimidazole of m-PBI having the following two formulas NMR was measured for dazolium. The results are shown in Figures 3a and 3b. FIG. 3A shows NMR of I-polybenzimidazoli of m-PBI, and FIG. 3B shows NMR results of I-imidazolium of 1,3-dimethyl-2-phenyl-benzimidazole.

(m-PBI의 I- 폴리벤즈이미다졸리움의 화학식)(Formula of I-polybenzimidazoli of m-PBI)

Figure 112011026434140-pat00012
Figure 112011026434140-pat00012

(1,3-디메틸-2-페닐-벤즈이미다졸의 I- 이미다졸리움의 화학식)(Formula of I-imidazolium of 1,3-dimethyl-2-phenyl-benzimidazole)

Figure 112011026434140-pat00013
Figure 112011026434140-pat00013

도 3a 및 도 3b에 나타난 바와 같이, m-PBI의 I- 폴리벤즈이미다졸리움의 메틸기 시그날과 방향족 시그날에 비해, 1,3-디메틸-2-페닐-벤즈이미다졸의 I- 이미다졸리움의 메틸기 시그날과 방향족 시그날 ppm이 낮아진 것을 알 수 있다. 메틸기 시그날은 4.14 / 4.22에서 3.90 / 3.90으로 낮아졌고, 방향족 시그널은 8.90-8.31에서 8.13-7.73으로 낮아졌다. m-PBI의 I- 폴리벤즈이미다졸리움에서는 페닐고리가 2개의 양전하를 안정화시켜야 하지만, 1,3-디메틸-2-페닐-벤즈이미다졸의 I- 이미다졸리움에서는 페닐고리가 1개의 양전하만을 안정화시키면 되기 때문에, 후자의 화합물이 더 안정하다. 통상 NMR 스펙트럼에서 "네이키드 양성자(naked protons)"는 높은 ppm 값을 갖지만(즉, 피크가 왼쪽에 존재하지만), 더 높은 전자밀도가 양성자를 쉴드하면 피크가 오른쪽으로 이동하게 된다. 1,3-디메틸-2-페닐-벤즈이미다졸의 I- 이미다졸리움은 더 높은 전자밀도에 의해 양성자가 쉴드되어 피크가 오른쪽으로 이동하게 된 것이다. 따라서, 더 안정함을 알 수 있다. 이는 2번 위치에 결합되는 페닐 고리의 수가 많으면 구조가 더 안정화됨을 의미한다.
As shown in FIGS. 3A and 3B, the I-imidazolium of 1,3-dimethyl-2-phenyl-benzimidazole compared to the methyl and aromatic signals of I-polybenzimidazolium of m-PBI It can be seen that the methyl group signal and the aromatic signal ppm are lowered. The methyl group signal was lowered from 4.14 / 4.22 to 3.90 / 3.90 and the aromatic signal lowered from 8.90-8.31 to 8.13-7.73. In the I-polybenzimidazolium of m-PBI, the phenyl ring should stabilize two positive charges, whereas in the I-imidazolium of 1,3-dimethyl-2-phenyl-benzimidazole, the phenyl ring has only one positive charge. Since it is necessary to stabilize, the latter compound is more stable. Normally, "naked protons" in the NMR spectrum have high ppm values (ie, peaks are on the left), but higher electron density shields the protons, causing the peaks to shift to the right. I-imidazolium of 1,3-dimethyl-2-phenyl-benzimidazole is a proton shield due to higher electron density, causing the peak to shift to the right. Thus, it can be seen that more stable. This means that the larger the number of phenyl rings bonded at position 2, the more stable the structure is.

<실험예 2: 메톡시기에 의한 안정화 효과>Experimental Example 2: Stabilization Effect by Methoxy Group

2-페닐기가 메톡시에 의해 치환되는 경우 화합물의 안정성은 더욱 향상됨을 입증하기 위해 본 실험을 수행하였다. 이를 위해 1-(벤질)-2-페닐-벤즈이미다졸과 1-(4-메톡시벤질)-2-(4-메톡시페닐)-벤즈이미다졸을 아래와 같이 각각 합성하였다.This experiment was conducted to demonstrate that the stability of the compound is further improved when the 2-phenyl group is substituted by methoxy. To this end, 1- (benzyl) -2-phenyl-benzimidazole and 1- (4-methoxybenzyl) -2- (4-methoxyphenyl) -benzimidazole were synthesized as follows.

Figure 112011026434140-pat00014

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1-(벤질)-2-1- (benzyl) -2- 페닐Phenyl -- 벤즈이미다졸의Of benzimidazole 합성 synthesis

5.407g이 오르쏘-페닐렌디아민 (50mmol)을 100ml 에탄올 및 3ml의 농축염산에 용해시켰다. 10.2ml의 벤즈알데히드를 두 부분에 10분에 걸쳐 첨가하였다. 실온에서 3.5시간동안 교반한 후에 그 혼합물을 여과하였다. 고체는 3.0982g의 1,3-디-벤질-2-페닐-벤즈이미다졸이었고, 여과물은 7.3g의 조산물이었다. 상기 조산물 2 배치를 조합한 후 클로로포름에 용해시키고 포타슘 하이드록시드 용액 및 물로 세척하였다. 용매를 증발시킨 후, 잔류물을 에탄올로부터 재결정화하였다. 약간 노란빛의 무색 고체가 16.95g의 수율로 얻어졌다. 5.407 g ortho-phenylenediamine (50 mmol) was dissolved in 100 ml ethanol and 3 ml concentrated hydrochloric acid. 10.2 ml of benzaldehyde was added in two portions over 10 minutes. After stirring at room temperature for 3.5 hours the mixture was filtered. The solid was 3.0982 g of 1,3-di-benzyl-2-phenyl-benzimidazole and the filtrate was 7.3 g of crude product. The two batches of crude product were combined and then dissolved in chloroform and washed with potassium hydroxide solution and water. After evaporation of the solvent, the residue was recrystallized from ethanol. A slightly yellowish colorless solid was obtained with a yield of 16.95 g.

Nmr (300 MHz, DMSO-d6): 6.99 - 7.74 (m, 14H, aromatic signals), 5.59 (d, 2H CH2). Nmr (300 MHz, DMSO-d 6): 6.99-7.74 (m, 14H, aromatic signals), 5.59 (d, 2H CH 2).

Nmr (300 MHz, CDCl3): 7.92 (d, 1H, aromatic, 8.3 Hz), 7.72 - 7.75 (m, 2H, aromatic), 7.24 - 7.53 (m, 9H, aromatic), 7.14 - 7.17 (m, 2H, aromatic), 5.50 (s, 2H, CH2).
Nmr (300 MHz, CDCl 3): 7.92 (d, 1H, aromatic, 8.3 Hz), 7.72-7.75 (m, 2H, aromatic), 7.24-7.53 (m, 9H, aromatic), 7.14-7.17 (m, 2H, aromatic), 5.50 (s, 2H, CH 2).

1-(4-메톡시벤질)-2-(4-1- (4-methoxybenzyl) -2- (4- 메톡시페닐Methoxyphenyl )-) - 벤즈이미다졸의Of benzimidazole 합성 synthesis

5.407g의 오르쏘-페닐렌디아민 (50mmol)을 75ml의 EtOH 및 3ml 농축 염산에 용해시켰다. 15분 이내에 20ml 에탄올 중의 100mmol (13.6g) 파라-메톡시벤즈알데히드를 첨가하였다. 반응 혼합물의 색상이 장미빛 색상으로 변하면 교반을 2시간 20분동안 계속하였다. 혼합물을 여과하고 여과액을 증발시켜 건조하였다. 잔류물을 다시 클로로포름에 용해시키고 소듐 하이드록시드 용액으로 세척하였다. 용매를 다시 증발시키고 점성 잔류물을 에탄올에 부었다. 냉장고에서 2시간 저장한 후에 석출물이 형성되었고 여과 및 60℃ 진공에서의 건조에 의해 백색 고체를 7.2796g)21.1mmol)=42.2%의 수율로 얻었다. 5.407 g of ortho-phenylenediamine (50 mmol) was dissolved in 75 ml of EtOH and 3 ml concentrated hydrochloric acid. Within 15 minutes, 100 mmol (13.6 g) para-methoxybenzaldehyde in 20 ml ethanol was added. When the color of the reaction mixture turned rosy color, stirring was continued for 2 hours 20 minutes. The mixture was filtered and the filtrate was evaporated to dryness. The residue was again dissolved in chloroform and washed with sodium hydroxide solution. The solvent was evaporated again and the viscous residue was poured into ethanol. After 2 hours of storage in the refrigerator, a precipitate formed and a white solid was obtained in a yield of 7.2796 g) 21.1 mmol) = 42.2% by filtration and drying at 60 ° C vacuum.

Nmr (300 MHz, CDCl3): 6.87 - 7.88 (m, 12 H, aromatic signals), 5.42 (s, 2H, CH2), 3.88 (s, 3H, Me), 3.82 (s, 3H, Me)
Nmr (300 MHz, CDCl3): 6.87-7.88 (m, 12H, aromatic signals), 5.42 (s, 2H, CH2), 3.88 (s, 3H, Me), 3.82 (s, 3H, Me)

상기 얻어진 두 화합물을 메틸화시킨 후 실온에서 KOH로 처리하였다. 그 결과는 도 4에 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 두 화합물 모두 처리 직후 색상이 갈색에서 황색으로 변하였다. 또한, NMR 스펙트럼에서는 낮은 ppm으로 이동하였다. 그러나, 상기 두 화합물을 85℃에서 22시간동안 처리한 결과 그 두 화합물의 반응은 전혀 달라졌다. 메톡시로 치환되지 아니한 화합물은 다시 갈색으로 변하였고, NMR 결과 벤조산의 형성이 확인되었다. 벤조산이 형성되었다는 것은 화합물이 분해되었다는 것을 의미한다. 이에 반하여, 메톡시로 치환된 화합물은 색상이나 NMR 스펙트럼 상에 어떠한 변화도 나타나지 않았다. 황산을 첨가하니, 색상이 원래 색상인 갈색으로 돌아갔고 스펙트럼도 원래의 스펙트럼과 매우 유사한 스펙트럼이 얻어졌다. 스펙트럼 상의 약간의 변화들은 주로 용매 조성 변화에 기인한 것들이다. The two compounds obtained were methylated and treated with KOH at room temperature. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 4, both compounds changed color from brown to yellow immediately after treatment. In addition, it shifted to low ppm in the NMR spectrum. However, when the two compounds were treated at 85 ° C. for 22 hours, the reactions of the two compounds were completely different. Compounds not substituted with methoxy turned brown again, and NMR confirmed the formation of benzoic acid. The formation of benzoic acid means that the compound has been degraded. In contrast, methoxy substituted compounds showed no change in color or NMR spectrum. When sulfuric acid was added, the color returned to brown, the original color, and a spectrum very similar to the original spectrum was obtained. Some changes in the spectrum are mainly due to changes in solvent composition.

벤조산이 형성되었음은 벤조산 첨가 실험에 의해 확인되었다. 벤조산을 첨가하면 특정 피크 강도가 2배 증가하고 그 외의 다른 어떤 이차 시그날도 변화되지 않는다면, 상기 특정 피크가 벤조산을 의미하며, 이는 상기 화합물이 분해되어 형성된 벤조산임을 알 수 있다. 상기 메톡시로 치환되지 아니한 화합물이 분해되어 벤조산이 형성되었음을 확인하기 위해, 화합물을 85℃의 1.1M KOH 용액에서 처리함으로써 디아민과 벤조산으로 완전히 가수분해시킨 후 NMR을 측정하고, 다시 벤조산을 첨가한 후 다시 NMR을 측정하여 그 두 결과를 비교하여 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타난 바와 같이, 벤조산 첨가에 의해 7.8ppm 위치에서 강도가 약 2배가 된 것과 다른 위치에서는 2배 변화가 일어나지 않았음을 확인할 수 있었다. It was confirmed by the benzoic acid addition experiment that benzoic acid was formed. If the addition of benzoic acid increases the specific peak intensity by a factor of two and no other secondary signal is changed, the specific peak means benzoic acid, which can be seen to be benzoic acid formed by decomposition of the compound. In order to confirm that the compound which was not substituted with methoxy was decomposed to form benzoic acid, the compound was treated in a 1.1M KOH solution at 85 ° C. to completely hydrolyze the diamine and benzoic acid, and then NMR was measured and again benzoic acid was added. After the NMR was measured again, the two results were compared and shown in FIG. 5. As shown in FIG. 5, it was confirmed that the benzoic acid did not change twice in strength at the 7.8 ppm position and at other positions.

요컨대, 상기 메톡시로 치환되지 아니한 화합물은 KOH 처리에 의해 가수분해되었지만, 메톡시로 치환된 화합물은 KOH 처리에도 불구하고 안정함을 알 수 있었다. 다시 말하면, 2-위치의 페닐기가 메톡시와 같은 전자 공여기(electron donation group, +M-effect)로 치환되는 경우, 화합물의 안정성은 현저히 향상됨을 알 수 있다.
In short, the compound not substituted with methoxy was hydrolyzed by KOH treatment, but the compound substituted with methoxy was found to be stable despite KOH treatment. In other words, it can be seen that the stability of the compound is remarkably improved when the 2-position phenyl group is substituted with an electron donation group (+ M-effect) such as methoxy.

<실험예 3: PBI-DCDPE Me 2 73 OH의 안정성>Experimental Example 3: Stability of PBI-DCDPE Me 2 73 OH

상기 제조예 1에 따라 제조된 PBI-Me 2 45 I 와 상기 제조예 5에서 제조된 PBI-DCDPE Me 2 73 I 에 대하여 안정성 실험을 수행하였다. 상기 각 고분자를 제조예 6에 따라 고분자막을 형성한 후 각 고분자막을 실온에서 1M KOH 용액에 담그고 3일 유지시킨 결과 I-이 OH-과 교환되어, 각각 PBI-Me 2 45 OH 와 PBI-DCDPE Me 2 73 OH가 제조되었다. PBI-Me 2 45 OH 고분자 막은 접촉시 부서져 버렸지만, PBI-DCDPE Me 2 73 OH 고분자 막은 유연하였다(flexible). PBI-DCDPE Me 2 73 OH 고분자 막은 2일간 더 1M KOH에 처리한 후에도 여전히 유연하였다(flexible).
Stability experiments were performed on PBI-Me 2 45 I prepared in Preparation Example 1 and PBI-DCDPE Me 2 73 I prepared in Preparation Example 5. After forming the polymer membranes according to Preparation Example 6, each polymer membrane was immersed in 1M KOH solution at room temperature for 3 days, and then, I- was exchanged with OH-, respectively, PBI-Me 2 45 OH and PBI-DCDPE Me. 2 73 OH was prepared. The PBI-Me 2 45 OH polymer membrane was broken upon contact, but the PBI-DCDPE Me 2 73 OH polymer membrane was flexible. The PBI-DCDPE Me 2 73 OH polymer membrane was still flexible after treatment with 1M KOH for two more days.

<실험예 4: PBI-DCDPE Me 2 73 OH의 OH- 전도도>Experimental Example 4: OH- Conductivity of PBI-DCDPE Me 2 73 OH>

임피던스 분광분석(impedance spectroscopy)을 이용하여 이온 전도도를 측정하였다. 샘플들을 4-전극 셀에 어셈블시킨 후 물에 침지시키거나 climate controlled chamber 내에서 측정하였다. 상기 제조예 5에서 제조된 PBI-DCDPE Me 2 73 I 을 가지고 상기 제조예 6에 따라 제조한 고분자막의 이온 전도도를 18℃에서 측정한 결과 17.3mS/cm의 OH- 전도도를 얻었다. Ion conductivity was measured using impedance spectroscopy. Samples were assembled into four-electrode cells and then immersed in water or measured in a climate controlled chamber. The ion conductivity of the polymer membrane prepared according to Preparation Example 6 with PBI-DCDPE Me 2 73 I prepared in Preparation Example 5 was measured at 18 ° C., and an OH- conductivity of 17.3 mS / cm was obtained.

<실험예 5: 이온 전도도의 측정>Experimental Example 5: Measurement of Ionic Conductivity

상기 제조예들에 따라 제조된 막에 대하여 임피던스 분광분석(impedance spectroscopy)을 이용하여 이온 전도도를 측정하였다. 샘플들을 4-전극 셀에 어셈블시킨 후 물에 침지시키거나 climate controlled chamber 내에서 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. Ion conductivity was measured by impedance spectroscopy on the membranes prepared according to the above examples. Samples were assembled into four-electrode cells and then immersed in water or measured in a climate controlled chamber. The results are shown in Table 1 below.

PBI-xPBI-x TheoreticalTheoretical IEC a) [mmol/g (mmol/ml)]  IEC a) [mmol / g (mmol / ml)] Water uptake [%] Water uptake [%] Hydratio n number Hydratio n number Wet density [g/ml] Wet density [g / ml] Conductivity in water at 26℃ Conductivity in water at 26 ℃ Conductivity in water at 60℃ Conductivity in water at 60 ℃ EE aktakt [kJ/mol]  [kJ / mol] Me2 45 I Me2 45 I 1.94 (1.38) 1.94 (1.38) 53 53 15 15 1.09 1.09 5.7 mS/cm 5.7 mS / cm 11.6 mS/cm 11.6 mS / cm 20.7 20.7 Me2 65 I Me2 65 I 2.50 (1.74) 2.50 (1.74) 65 65 15 15 1.15 1.15 6.9 mS/cm 6.9 mS / cm 16.0 mS/cm 16.0 mS / cm 17.1 17.1 Me2 84 I Me2 84 I 2.92 (2.66) 2.92 (2.66) 29 29 6 6 1.19 1.19 4.5 mS/cm 4.5 mS / cm 6.9 mS/cm 6.9 mS / cm 11.8 11.8 Me2 65 OH Me2 65 OH 3.44 3.44 41 41 7 7 29.3 mS/cm b) 29.3 mS / cm b) 57.8 mS/cm 57.8 mS / cm 16.6 16.6 Bn2 63 Br Bn2 63 Br 1.78 (1.38) 1.78 (1.38) 33 33 10 10 1.03 1.03 3.1 mS/cm 3.1 mS / cm 7.7 mS/cm b) 7.7 mS / cm b) 21.6 21.6 BnMe 72 I BnMe 72 I 2.03 (2.03) 2.03 (2.03) 17 17 5 5 1.17 1.17 9.9 mS/cm b) 9.9 mS / cm b) 22.6 mS/cm b) 22.6 mS / cm b) 20.1 20.1

상기 표에 나타난 바와 같이, PBI-Me2 65 OH 가 전도도가 가장 우수하였다. As shown in the table, PBI-Me2 65 OH had the best conductivity.

Claims (20)

하기 화학식 1 또는 화학식 2의 구조를 갖는 폴리벤즈이미다졸리움 (polybenzimidazolium)으로서,
상기 폴리벤즈이미다졸리움은 전체 벤즈이미다졸 모노머 중 5 내지 100몰%의 모노머가 음이온이 부가된 벤즈이미다졸리움인, 폴리벤즈이미다졸리움:
(화학식 1)
Figure 112013021835018-pat00015

(화학식 2)
Figure 112013021835018-pat00016

상기 식에서,
A는 직접 결합 또는 산소이고,
B는 1 내지 5개의 헤테로원자를 갖는 이가 산(diacid)의 기 또는 9개 이상의 탄소 원자를 함유한 이가 산(diacid)의 기이고,
R1 내지 R4는 서로 동일하거나 다르며, 각각 독립적으로 수소, C1~6의 알킬기 또는 방향족 치환기이고,
X-는 할로겐, OH-, 카보네이트, 하이드로젠 카보네이트, 술페이트, 아세테이트, 포르미에이트(formiate), 메탄올레이트(methanolate) 및 에탄올레이트(ethanolate)로 구성된 군으로부터 선택된 음이온이고,
n은 1 이상의 정수임.
As polybenzimidazolium having the structure of Formula 1 or Formula 2,
The polybenzimidazolium is polybenzimidazolium, in which 5-100 mol% of the monomers of the total benzimidazole monomers are benzimidazolium to which an anion is added:
(Formula 1)
Figure 112013021835018-pat00015

(2)
Figure 112013021835018-pat00016

In this formula,
A is a direct bond or oxygen,
B is a group of diacid having 1 to 5 heteroatoms or a group of diacid containing 9 or more carbon atoms,
R 1 to R 4 are the same as or different from each other, and each independently hydrogen, a C 1-6 alkyl group, or an aromatic substituent,
X- is an anion selected from the group consisting of halogen, OH-, carbonate, hydrogen carbonate, sulfate, acetate, formiate, methanolate and ethanolate,
n is an integer of 1 or more.
제 1 항에 있어서,
상기 이가 산(diacid)은, 방향족 고리를 포함하는, 폴리벤즈이미다졸리움.
The method of claim 1,
The diacid is a polybenzimidazolium containing an aromatic ring.
제 2 항에 있어서,
상기 이가 산은 2개의 분리된 페닐 고리를 갖는, 폴리벤즈이미다졸리움.
3. The method of claim 2,
The divalent acid has two separate phenyl rings, polybenzimidazolium.
제 2 항에 있어서,
상기 방향족 고리는, O-알킬, O-페닐, 알킬, 니트릴, COOH, 클로라이드, 플루오라이드, 니트로, 술포네이트, 포스포네이트, S-알킬, S-페닐, 술폰-페닐, 아실 및 벤조일로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 치환기에 의해 치환된 것인, 폴리벤즈이미다졸리움.
3. The method of claim 2,
The aromatic ring consists of O-alkyl, O-phenyl, alkyl, nitrile, COOH, chloride, fluoride, nitro, sulfonate, phosphonate, S-alkyl, S-phenyl, sulfone-phenyl, acyl and benzoyl Polybenzimidazolium, substituted by one or more substituents selected from the group.
제 2 항에 있어서,
상기 이가 산은, 하기 화학식 3의 이가 산 중 어느 하나인, 폴리벤즈이미다졸리움.
(화학식 3)
Figure 112011026434140-pat00017
3. The method of claim 2,
The divalent acid is any one of the divalent acids of the formula (3), polybenzimidazolium.
(Formula 3)
Figure 112011026434140-pat00017
제 1 항에 있어서,
상기 폴리벤즈이미다졸리움은 파라-PBI(para-PBI)의 염인, 폴리벤즈이미다졸리움.
The method of claim 1,
The polybenzimidazolium is polybenzimidazoli, which is a salt of para-PBI.
제 1 항에 있어서,
상기 폴리벤즈이미다졸리움은, 모노머로서, 폴리벤조옥사졸(polybenzoxazole, PBO), 폴리페닐퀴녹살린, 폴리벤조티아졸(polybenzothiazol, PBT), 테트라아민 및 카르복실산으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 모노머를 더 포함하는 공중합체인, 폴리벤즈이미다졸리움.
The method of claim 1,
The polybenzimidazoli, as a monomer, at least one monomer selected from the group consisting of polybenzoxazole (PBO), polyphenylquinoxaline, polybenzothiazol (PBT), tetraamine and carboxylic acid Polybenzimidazoli which is a copolymer further comprising.
제 1 항에 있어서,
R1 내지 R4는 서로 동일하거나 다르며, 각각은 수소, 메틸, 벤질, 기능성화된 벤질, 트리틸, 기능성화된 트리틸, tert-부틸 또는 그 조합인, 폴리벤즈이미다졸리움.
The method of claim 1,
R 1 to R 4 are the same or different from one another and each is hydrogen, methyl, benzyl, functionalized benzyl, trityl, functionalized trityl, tert-butyl or combinations thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 폴리벤즈이미다졸리움은, 하기 화학식 4의 구조를 갖는, 폴리벤즈이미다졸리움.
(화학식 4)
Figure 112011026434140-pat00018
The method of claim 1,
The polybenzimidazolium, polybenzimidazolium having the structure of formula (4).
(Formula 4)
Figure 112011026434140-pat00018
제 1 항에 있어서,
상기 폴리벤즈이미다졸리움은, 하기 화학식 5의 구조를 갖는, 폴리벤즈이미다졸리움.
(화학식 5)
Figure 112011026434140-pat00019
The method of claim 1,
The polybenzimidazolium, polybenzimidazolium having a structure of the formula (5).
(Formula 5)
Figure 112011026434140-pat00019
제 1 항에 있어서,
X-는 OH-인, 폴리벤즈이미다졸리움.
The method of claim 1,
X- is OH-, polybenzimidazolium.
제 4 항에 있어서,
상기 방향족 고리는, O-알킬로 치환된, 폴리벤즈이미다졸리움.
The method of claim 4, wherein
Wherein said aromatic ring is substituted with O-alkyl.
제 5 항에 있어서, 상기 이가 산이 하기 화학식의 구조를 가질 때, 벤젠 고리의 OH기는 O-메틸화된 것인, 폴리벤즈이미다졸리움.
Figure 112011026434140-pat00020
The polybenzimidazolium of claim 5, wherein when the divalent acid has a structure of the following formula, the OH group of the benzene ring is O-methylated.
Figure 112011026434140-pat00020
제 1 항에 있어서, 상기 폴리벤즈이미다졸리움은, 교차결합된 것인, 폴리벤즈이미다졸리움.The polybenzimidazoli of claim 1, wherein the polybenzimidazoli is crosslinked. 제 14 항에 있어서, 상기 폴리벤즈이미다졸리움은, α, α'-디할로크실렌(dihaloxylene)으로 교차결합된 것인, 폴리벤즈이미다졸리움.The polybenzimidazoli of claim 14, wherein the polybenzimidazolium is cross-linked with α, α'-dihaloxylene. 제 15 항에 있어서, 상기 α, α'-디할로크실렌(dihaloxylene)은 α, α'-디브로모크실렌인, 폴리벤즈이미다졸리움.The polybenzimidazolium of claim 15, wherein the α, α'-dihaloxylene is α, α'-dibromoxylene. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 폴리벤즈이미다졸리움을 포함하는 전해질 막. An electrolyte membrane comprising the polybenzimidazolium according to any one of claims 1 to 16. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 폴리벤즈이미다졸리움을 포함하는 촉매 바인더(catalyst bindner).Catalyst bindner comprising the polybenzimidazolium according to any one of claims 1 to 16. 제 17 항에 따른 전해질 막을 포함하는 연료 전지, 전해조 (electrolyzer) 또는 밧데리. A fuel cell, electrolyzer or battery comprising the electrolyte membrane according to claim 17. 제 18항에 따른 촉매 바인더를 포함하는 연료 전지 또는 전해조. A fuel cell or electrolytic cell comprising the catalyst binder according to claim 18.
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