KR102260088B1 - Anion-exchange membrane, preparation method thereof and alkaline anion-exchange membrane fuel cell comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 음이온 교환막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 알칼리 음이온 교환막 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 4차 암모늄화된 폴리페닐렌옥사이드 및 4차 암모늄화된 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산을 포함하는 음이온 교환막을 제조하고, 상기 4차 암모늄화된 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산에 존재하는 긴 사슬의 입체장애로 인하여 이온전도성이 우수하면서도 알칼리 안정성을 갖는 음이온 교환막 연료전지로 응용할 수 있다.The present invention relates to an anion exchange membrane, a method for manufacturing the same, and an alkali anion exchange membrane fuel cell comprising the same, and more particularly, to quaternary ammonium polyphenylene oxide and quaternary ammonium oligomeric silsesquioxane. Prepare an anion exchange membrane containing a, and can be applied as an anion exchange membrane fuel cell having excellent ion conductivity and alkali stability due to the steric hindrance of the long chain present in the quaternary ammonium polyhedral oligomeric silsesquioxane have.

Description

음이온 교환막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 알칼리 음이온 교환막 연료전지{Anion-exchange membrane, preparation method thereof and alkaline anion-exchange membrane fuel cell comprising the same}Anion exchange membrane, manufacturing method thereof, and alkaline anion exchange membrane fuel cell comprising same

본 발명은 음이온 교환막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 알칼리 음이온 교환막 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 4차 암모늄화된 폴리페닐렌옥사이드 및 4차 암모늄화된 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산을 포함하는 음이온 교환막을 제조하고, 상기 4차 암모늄화된 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산에 존재하는 긴 사슬의 입체장애로 인하여 이온전도성이 우수하면서도 알칼리 안정성을 갖는 음이온 교환막 연료전지로 응용하는 기술에 관한 것이다.
The present invention relates to an anion exchange membrane, a method for manufacturing the same, and an alkali anion exchange membrane fuel cell comprising the same, and more particularly, to quaternary ammonium polyphenylene oxide and quaternary ammonium oligomeric silsesquioxane. To prepare an anion exchange membrane comprising a, and to apply it as an anion exchange membrane fuel cell having excellent ion conductivity and alkali stability due to the steric hindrance of a long chain present in the quaternary ammonium polyhedral oligomeric silsesquioxane It's about technology.

연료전지는 연료와 산화제를 연속적으로 공급하여, 이들이 반응할 때의 화학 에너지를 전력으로서 추출하는 발전 시스템이다. 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라서, 작동 온도가 비교적 낮은 알칼리형 연료전지, 인산형 연료전지, 및 고체고분자 전해질형 연료전지, 또는 고온에서 작동하는 용융탄산염형 연료전지, 고체산화물 전해질 연료전지로 대별된다.A fuel cell is a power generation system that continuously supplies fuel and an oxidizer and extracts chemical energy when they react as electric power. Depending on the type of electrolyte used, the fuel cell may be an alkaline fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, and a solid polymer electrolyte fuel cell having a relatively low operating temperature, or a molten carbonate fuel cell or a solid oxide electrolyte fuel cell operating at a high temperature. is distinguished by

한편, 음이온 교환막(anion exchange membrane, AEM)을 사용하는 연료전지의 경우 비-귀금속 전극촉매의 활용가능성, 연료의 용이한 산화, 산소의 빠른 환원 속도, 환원된 연료의 크로스오버(crossover), 촉매의 강화된 일산화탄소 내성, 및 비교적 간단한 물 관리 등의 많은 장점으로 인해 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)에 비해 최근 많은 관심을 받아왔고, 이에 따라 양성자 교환막(PEM)의 대안으로 음이온 교환막에 대한 연구가 진행되고 있다.On the other hand, in the case of a fuel cell using an anion exchange membrane (AEM), the availability of non-noble metal electrode catalysts, easy oxidation of fuel, fast reduction rate of oxygen, crossover of reduced fuel, catalyst Due to its many advantages, such as enhanced carbon monoxide resistance and relatively simple water management, it has recently received a lot of attention compared to the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). Accordingly, research on an anion exchange membrane as an alternative to the proton exchange membrane (PEM) is proceeding. is becoming

이러한 음이온 교환막 연료전지는 화학적 반응을 통하여 양극(cathode)에서 OH- 이온이 생성되어 음극(anode)으로 전도되는 과정을 거치면서 전기 에너지를 생성한다. 이러한 음이온 교환막은 일반적으로 고분자 주쇄(backbone)의 벤질릭(benzylic) 위치에 OH- 이온을 전도할 수 있는 전도기(conductor)가 도입되어 있거나 또는 곁가지(side chain)에 전도기가 달려있는 구조를 갖는다. 또한, PBI(poly(benzimidazolium))나 poly(arylene piperidinium)계열의 고분자와 같이 주쇄 자체가 양이온을 띠어 OH- 이온을 전도할 수 있는 전도기로 수행 가능한 구조를 갖기도 한다.Such an anion exchange membrane fuel cell generates electrical energy through a process in which OH − ions are generated at the anode through a chemical reaction and conducted to the cathode. Such an anion exchange membrane generally has a structure in which a conductor capable of conducting OH − ions is introduced at a benzylic position of a polymer backbone or a conductor is attached to a side chain. Further, PBI (poly (benzimidazolium)) or poly (arylene piperidinium) the main chain itself, OH ttieo cations, such as the series polymer is gatgido a structure capable of performing a group capable of conducting an ion conduction.

음이온 교환막은 친수성(hydrophilic)을 띠는 전도기 간의 정전기적 인력 (electrostatic attraction)으로 인한 이온 클러스터(ion cluster) 형성과 더불어 고분자의 소수성 (hydrophobic) 영역과의 상분리 (phase separation)를 통해 OH- 이온이 전도되는 통로인 친수성 전도 채널 (ionic channel)을 형성한다. 하지만 OH- 이온은 친핵성 (nucleophilicity)이 강하기 때문에 친전자성 (electrophilicity)을 갖는 전도기와의 화학적 부반응(side reaction)이 수반되며, 이는 고온에서 가속화된다. 이러한 전도기의 분해(degradation) 반응뿐만 아니라 고분자 주쇄의 분해 반응도 일어나 음이온 교환막의 이온 전도도 손실과 물성을 감소시켜 알칼리 연료전지의 성능을 저하시키고 궁극적으로 장기 수명 감소를 초래하여, 알칼리 안정성을 갖는 동시에 우수한 이온전도성을 갖는 음이온 교환막을 개발하기 위한 연구가 필요한 실정이다.The anion exchange membrane forms ion clusters due to electrostatic attraction between hydrophilic conductive groups, as well as phase separation from the hydrophobic region of the polymer, allowing OH - ions to It forms an ionic channel, which is a conduction path. However, since the OH ion has strong nucleophilicity, a chemical side reaction with a conductive group having electrophilicity is accompanied, which is accelerated at high temperature. Not only the degradation reaction of the conductor but also the decomposition reaction of the polymer main chain occur, reducing the loss of ionic conductivity and physical properties of the anion exchange membrane, thereby lowering the performance of the alkaline fuel cell and ultimately reducing the long-term lifespan. There is a need for research to develop an anion exchange membrane having ion conductivity.

따라서, 본 발명자는 4차 암모늄화된 폴리페닐렌옥사이드 및 4차 암모늄화된 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산을 포함하는 음이온 교환막을 제조하고, 상기 4차 암모늄화된 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스옥퀴산에 존재하는 긴 사슬의 입체장애로 인하여 이온전도성이 우수하면서도 알칼리 안정성을 갖는 음이온 교환막 연료전지로 응용할 수 있음에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
Accordingly, the present inventors prepare an anion exchange membrane comprising quaternary ammonium polyphenylene oxide and quaternary ammonium oligomeric silsesquioxane, and the quaternary ammonium oligomeric silses Due to the steric hindrance of the long chain present in sesocquiic acid, the present invention was completed by focusing on the application as an anion exchange membrane fuel cell having excellent ionic conductivity and alkali stability.

특허문헌 1. 일본 공개특허 공보 제10-2010-0107010호Patent Document 1. Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-2010-0107010 특허문헌 2. 한국 등록특허 공보 제10-1545229호Patent Document 2. Korean Patent Publication No. 10-1545229 특허문헌 3. 한국 등록특허 공보 제10-0776375호Patent Document 3. Korean Patent Publication No. 10-0776375

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 4차 암모늄화된 폴리페닐렌옥사이드 및 4차 암모늄화된 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산을 포함하는 음이온 교환막을 제조하고, 상기 4차 암모늄화된 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산에 존재하는 긴 사슬의 입체장애로 인하여 이온전도성이 우수하면서도 알칼리 안정성을 갖는 음이온 교환막 연료전지를 제공하고자 하는 것이다.
The present invention has been devised in consideration of the above problems, and an object of the present invention is to prepare an anion exchange membrane comprising quaternary ammonium polyphenylene oxide and quaternary ammonium oligomeric silsesquioxane and to provide an anion exchange membrane fuel cell having excellent ion conductivity and alkali stability due to the steric hindrance of a long chain present in the quaternary ammonium polyhedral oligomeric silsesquioxane.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하기 화학식 1로 표현되는 반복단위를 갖는 4차 암모늄화된 폴리페닐렌옥사이드(QPPO) 및 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산(POSS)를 포함하는 음이온 교환막을 제공한다.The present invention for achieving the above object is a quaternary ammonium-containing polyphenylene oxide (QPPO) and polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having a repeating unit represented by the following formula (1) An anion exchange membrane is provided.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112019044402446-pat00001
Figure 112019044402446-pat00001

상기 x는 반복단위 내 몰분율(%)로서, 상기 x는 1 내지 99의 정수이다.Wherein x is a mole fraction (%) in the repeating unit, wherein x is an integer of 1 to 99.

상기 POSS는 하기 화학식 2로 표현되는 4차 암모늄화된 POSS(QPOSS)일 수 있다.The POSS may be a quaternary ammonium POSS (QPOSS) represented by the following Chemical Formula 2.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112019044402446-pat00002
Figure 112019044402446-pat00002

상기 R은 하기 화학식 2-1로 표현되는 화합물이다.R is a compound represented by the following Chemical Formula 2-1.

[화학식 2-1][Formula 2-1]

Figure 112019044402446-pat00003
Figure 112019044402446-pat00003

상기 QPPO에 대한 상기 QPOSS의 중량비율은 0.1 내지 10 중량%일 수 있다.The weight ratio of the QPOSS to the QPPO may be 0.1 to 10% by weight.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 음이온 교환막을 포함하는 알칼리 연료전지를 제공한다.In addition, the present invention provides an alkaline fuel cell comprising the anion exchange membrane according to the present invention.

또한, 본 발명은 (a) 하기 화학식 3으로 표현되는 반복단위를 갖는 4차 암모늄화된 폴리페닐렌옥사이드(QPPO)를 제1 용매에 용해시켜 QPPO 용액을 수득하는 단계; (b) 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산(POSS)을 제2 용매에 혼합하여 POSS 용액을 수득하는 단계; (c) 상기 QPPO 용액 및 POSS 용액을 혼합하는 단계; (d) 상기 (c) 단계의 혼합물을 막의 형태로 형성하는 단계; 및 (e) 상기 형성된 막을 수산화물 용액에 침지한 후 다시 건조시키는 단계를 포함하는 음이온 교환막의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of (a) dissolving a quaternary ammonium polyphenylene oxide (QPPO) having a repeating unit represented by the following Chemical Formula 3 in a first solvent to obtain a QPPO solution; (b) mixing polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) in a second solvent to obtain a POSS solution; (c) mixing the QPPO solution and the POSS solution; (d) forming the mixture of step (c) in the form of a film; And (e) provides a method for producing an anion exchange membrane comprising the step of immersing the formed membrane in a hydroxide solution and then drying again.

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112019044402446-pat00004
Figure 112019044402446-pat00004

상기 x는 반복단위 내 몰분율(%)로서, 상기 x는 1 내지 99의 정수이다.Wherein x is a mole fraction (%) in the repeating unit, wherein x is an integer of 1 to 99.

상기 POSS는 하기 화학식 2로 표현되는 4차 암모늄화된 POSS(QPOSS)일 수 있다.The POSS may be a quaternary ammonium POSS (QPOSS) represented by the following Chemical Formula 2.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112019044402446-pat00005
Figure 112019044402446-pat00005

상기 R은 하기 화학식 2-1로 표현되는 화합물이다.R is a compound represented by the following Chemical Formula 2-1.

[화학식 2-1][Formula 2-1]

Figure 112019044402446-pat00006
Figure 112019044402446-pat00006

상기 제1 용매 및 제2 용매는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아미드, 디에틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 메탄올, 에탄올 및 에테르 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.The first solvent and the second solvent are the same as or different from each other, and each independently N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylsulfoxide, dimethylformamide, diethylformamide, dimethylacetamide, methanol, ethanol and ether It may be one or a mixture of two or more selected from among.

상기 (c) 단계는 상온에서 0.5 내지 24 시간 동안 수행될 수 있다.Step (c) may be performed at room temperature for 0.5 to 24 hours.

상기 (c) 단계에서 QPPO에 대한 상기 POSS의 중량비율은 0.1 내지 10 중량%일 수 있다.The weight ratio of the POSS to QPPO in step (c) may be 0.1 to 10% by weight.

상기 (d) 단계는 상기 (c) 단계의 혼합물을 기판 상에 캐스팅한 후 캐스팅된 막을 건조시켜 수행될 수 있다.Step (d) may be performed by casting the mixture of step (c) on a substrate and then drying the cast film.

상기 제1 용매는 N-메틸-2-피롤리돈이고, 상기 제2 용매는 디메틸설폭사이드이며, 상기 (c) 단계는 상온에서 3 내지 5 시간 동안 수행되며, 상기 (c) 단계에서 QPPO에 대한 상기 POSS의 중량비율은 2 내지 4 중량%이며, 상기 (d) 단계는 상기 (c) 단계의 혼합물을 기판 상에 캐스팅한 후 캐스팅된 막을 건조시켜 수행되며, 상기 캐스팅 막의 건조 온도는 50 내지 70 ℃이며, 상기 캐스팅 막의 건조 시간은 11 내지 13 시간 동안 수행되며, 상기 수산화물 용액은 0.8 내지 1.2 M의 수산화칼륨 용액이며, 상기 (e) 단계의 침지 시간은 22 내지 26 시간이며, 상기 침치 후의 건조 시간은 22 내지 26 시간일 수 있다.
The first solvent is N-methyl-2-pyrrolidone, the second solvent is dimethylsulfoxide, and the step (c) is performed at room temperature for 3 to 5 hours, and in the step (c), QPPO is The weight ratio of the POSS for the POSS is 2 to 4% by weight, and the step (d) is performed by casting the mixture of step (c) on a substrate and then drying the cast film, and the drying temperature of the casting film is 50 to 70 ℃, the drying time of the casting film is carried out for 11 to 13 hours, the hydroxide solution is 0.8 to 1.2 M potassium hydroxide solution, the immersion time in step (e) is 22 to 26 hours, after the immersion Drying time may be 22 to 26 hours.

본 발명에 따르면, 4차 암모늄화된 폴리페닐렌옥사이드 및 4차 암모늄화된 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산을 포함하는 음이온 교환막을 제조하고, 상기 4차 암모늄화된 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산에 존재하는 긴 사슬의 입체장애로 인하여 이온전도성이 우수하면서도 알칼리 안정성을 갖는 음이온 교환막 연료전지를 제공할 수 있다.
According to the present invention, an anion exchange membrane comprising quaternary ammonium polyphenylene oxide and quaternary ammonium oligomeric silsesquioxane is prepared, and the quaternary ammonium polyhedral oligomeric sil It is possible to provide an anion exchange membrane fuel cell having excellent ion conductivity and alkali stability due to the steric hindrance of the long chain present in sesquioxane.

도 1은 본 발명의 (a) 제조예 1로부터 4차 암모늄화된 폴리페닐렌옥사이드(QPPO)가 합성되는 과정 및 (b) 제조예 2로부터 4차 암모늄화된 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산(QPOSS)가 합성되는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제조예 1로부터 4차 암모늄화된 폴리페닐렌옥사이드(QPPO)의 합성에 사용된 (a) 폴리페닐렌옥사이드(PPO) 및 (b) 브롬화된 폴리페닐렌옥사이드(Br-PPO)와 (c) 4차 암모늄화 폴리페닐렌옥사이드(QPPO)의 1H NMR(핵자기공명) 및 (d) PPO, Br-PPO 및 QPPO의 FTIR(푸리에 변환 적외분광) 스펙트럼이다.
도 3은 본 발명의 제조예 1로부터 합성된 QPPO 및 제조예 2로부터 합성된 QPOSS의 (a) 1H NMR(핵자기공명) 및 (b) FTIR(푸리에 변환 적외분광) 스펙트럼이다.
도 4는 본 발명의 제조예 1로부터 합성된 QPPO와 실시예 1 내지 3으로부터 합성된 QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 및 QPPO-QPOSS-3의 FTIR(푸리에 변환 적외분광) 스펙트럼이다.
도 5는 본 발명의 제조예 1로부터 합성된 QPPO와 실시예 1 내지 3으로부터 합성된 QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 및 QPPO-QPOSS-3의 TGA(열중량 분석) 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제조예 1로부터 합성된 QPPO와 실시예 1 내지 3으로부터 합성된 QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 및 QPPO-QPOSS-3의 (a) 함수율(water uptake), (b) 치수 안정성(dimesional stability) 및 (c) 결합수(bound water) 함량을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제조예 1로부터 합성된 QPPO와 실시예 1 내지 3으로부터 합성된 QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 및 QPPO-QPOSS-3의 (a) 수산화이온 전도도 및 (b) 아레니우스 플롯(Arrhenius plot)이다.
도 8은 본 발명의 제조예 1로부터 합성된 QPPO와 실시예 1 내지 3으로부터 합성된 QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 및 QPPO-QPOSS-3의 80 ℃에서의 시간 경과에 따른 수산화 이온 전도도를 나타낸 그래프이다.
1 is (a) the process of synthesizing quaternary ammonium polyphenylene oxide (QPPO) from Preparation Example 1 and (b) quaternary ammonated polyhedral oligomeric silsesqui from Preparation Example 2 of the present invention. It is a schematic diagram showing the process of synthesis of oxane (QPOSS).
2 is (a) polyphenylene oxide (PPO) and (b) brominated polyphenylene oxide (Br-) used in the synthesis of quaternary ammonium polyphenylene oxide (QPPO) from Preparation Example 1 of the present invention; PPO) and (c) 1 H NMR (nuclear magnetic resonance) of quaternary ammonium polyphenylene oxide (QPPO) and (d) FTIR (Fourier transform infrared) spectra of PPO, Br-PPO and QPPO.
3 is (a) 1 H NMR (nuclear magnetic resonance) and (b) FTIR (Fourier transform infrared) spectra of QPPO synthesized in Preparation Example 1 and QPOSS synthesized in Preparation Example 2 of the present invention.
4 is a FTIR (Fourier transform infrared) spectrum of QPPO synthesized in Preparation Example 1 and QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 and QPPO-QPOSS-3 synthesized in Examples 1 to 3 of the present invention.
5 is a TGA (thermogravimetric analysis) graph of QPPO synthesized in Preparation Example 1 and QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 and QPPO-QPOSS-3 synthesized in Examples 1 to 3 of the present invention.
Figure 6 is (a) of the QPPO synthesized from Preparation Example 1 of the present invention and QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 and QPPO-QPOSS-3 synthesized from Examples 1 to 3 (a) water uptake, ( b) dimensional stability and (c) a graph showing the content of bound water.
7 shows (a) hydroxide ion conductivity and (b) of QPPO synthesized in Preparation Example 1 of the present invention and QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 and QPPO-QPOSS-3 synthesized in Examples 1 to 3; This is the Arrhenius plot.
8 is a view showing the hydroxide ions over time at 80° C. of QPPO synthesized in Preparation Example 1 and QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 and QPPO-QPOSS-3 synthesized in Examples 1 to 3 of the present invention. This is a graph showing the conductivity.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

본 발명은 하기 화학식 1로 표현되는 반복단위를 갖는 4차 암모늄화된 폴리페닐렌옥사이드(QPPO) 및 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산(POSS)를 포함하는 음이온 교환막을 제공한다.The present invention provides an anion exchange membrane comprising quaternary ammoniumized polyphenylene oxide (QPPO) and polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) having a repeating unit represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112019044402446-pat00007
Figure 112019044402446-pat00007

상기 x는 반복단위 내 몰분율(%)로서, 상기 x는 1 내지 99의 정수이다.Wherein x is a mole fraction (%) in the repeating unit, wherein x is an integer of 1 to 99.

종래 알카리 음이온 교환막 연료전지의 음이온 교환막은 이온 전도특성과 알칼리 안정성이 반비례하는 문제점이 존재하였다. 본 발명에서는 4차 암모늄화된 폴리페닐렌옥사이드에 4차 암모늄화된 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산을 혼합함으로써, 상기 4차 암모늄화된 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산에 존재하는 긴 사슬의 입체장애로 인하여 이온전도성이 우수하면서도 알칼리 안정성을 갖는 음이온 교환막을 제공하고자 한다.Conventional anion exchange membranes of alkali anion exchange membrane fuel cells have a problem in that ion conduction characteristics and alkali stability are inversely proportional to each other. In the present invention, by mixing the quaternary ammonium polyhedral oligomeric silsesquioxane with the quaternary ammonium polyphenylene oxide, the quaternary ammonium oligomeric silsesquioxane present in the quaternary ammonium polyhedral oligomeric silsesquioxane is mixed. An object of the present invention is to provide an anion exchange membrane having excellent ion conductivity and alkali stability due to steric hindrance of the chain.

상기 POSS는 하기 화학식 2로 표현되는 4차 암모늄화된 POSS(QPOSS)일 수 있다.The POSS may be a quaternary ammonium POSS (QPOSS) represented by the following Chemical Formula 2.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112019044402446-pat00008
Figure 112019044402446-pat00008

상기 R은 하기 화학식 2-1로 표현되는 화합물이다.R is a compound represented by the following Chemical Formula 2-1.

[화학식 2-1][Formula 2-1]

Figure 112019044402446-pat00009
Figure 112019044402446-pat00009

상기 QPPO에 대한 상기 QPOSS의 중량비율은 0.1 내지 10 중량%, 구체적으로 0.5 내지 8 중량%, 보다 구체적으로는 1 내지 6 중량%, 더욱 구체적으로는 2 내지 4 중량%일 수 있다.The weight ratio of the QPOSS to the QPPO may be 0.1 to 10% by weight, specifically 0.5 to 8% by weight, more specifically 1 to 6% by weight, more specifically 2 to 4% by weight.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 음이온 교환막을 포함하는 알칼리 연료전지를 제공한다.In addition, the present invention provides an alkaline fuel cell comprising the anion exchange membrane according to the present invention.

또한, 본 발명은 (a) 하기 화학식 3으로 표현되는 반복단위를 갖는 4차 암모늄화된 폴리페닐렌옥사이드(QPPO)를 제1 용매에 용해시켜 QPPO 용액을 수득하는 단계; (b) 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산(POSS)을 제2 용매에 혼합하여 POSS 용액을 수득하는 단계; (c) 상기 QPPO 용액 및 POSS 용액을 혼합하는 단계; (d) 상기 (c) 단계의 혼합물을 막의 형태로 형성하는 단계; 및 (e) 상기 형성된 막을 수산화물 용액에 침지한 후 다시 건조시키는 단계를 포함하는 음이온 교환막의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of (a) dissolving a quaternary ammonium polyphenylene oxide (QPPO) having a repeating unit represented by the following Chemical Formula 3 in a first solvent to obtain a QPPO solution; (b) mixing polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) in a second solvent to obtain a POSS solution; (c) mixing the QPPO solution and the POSS solution; (d) forming the mixture of step (c) in the form of a film; And (e) provides a method for producing an anion exchange membrane comprising the step of immersing the formed membrane in a hydroxide solution and then drying again.

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112019044402446-pat00010
Figure 112019044402446-pat00010

상기 x는 반복단위 내 몰분율(%)로서, 상기 x는 1 내지 99의 정수이다.Wherein x is a mole fraction (%) in the repeating unit, wherein x is an integer of 1 to 99.

상기 POSS는 하기 화학식 2로 표현되는 4차 암모늄화된 POSS(QPOSS)일 수 있다.The POSS may be a quaternary ammonium POSS (QPOSS) represented by the following Chemical Formula 2.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112019044402446-pat00011
Figure 112019044402446-pat00011

상기 R은 하기 화학식 2-1로 표현되는 화합물이다.R is a compound represented by the following Chemical Formula 2-1.

[화학식 2-1][Formula 2-1]

Figure 112019044402446-pat00012
Figure 112019044402446-pat00012

상기 제1 용매 및 제2 용매는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아미드, 디에틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 메탄올, 에탄올 및 에테르 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다. 구체적으로는 상기 제1 용매는 N-메틸-2-피롤리돈이고, 상기 제2 용매는 디메틸설폭사이드일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The first solvent and the second solvent are the same as or different from each other, and each independently N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylsulfoxide, dimethylformamide, diethylformamide, dimethylacetamide, methanol, ethanol and ether It may be one or a mixture of two or more selected from among. Specifically, the first solvent may be N-methyl-2-pyrrolidone, and the second solvent may be dimethyl sulfoxide, but is not limited thereto.

상기 (c) 단계는 상온에서 0.5 내지 24 시간, 구체적으로는 1 내지 12 시간, 보다 구체적으로는 2 내지 8 시간, 더욱 구체적으로는 3 내지 5 시간 동안 수행될 수 있다.Step (c) may be performed at room temperature for 0.5 to 24 hours, specifically for 1 to 12 hours, more specifically for 2 to 8 hours, and more specifically for 3 to 5 hours.

상기 (c) 단계에서 QPPO에 대한 상기 POSS의 중량비율은 0.1 내지 10 중량%, 구체적으로 0.5 내지 8 중량%, 보다 구체적으로는 1 내지 6 중량%, 더욱 구체적으로는 2 내지 4 중량%일 수 있다.The weight ratio of the POSS to QPPO in step (c) may be 0.1 to 10% by weight, specifically 0.5 to 8% by weight, more specifically 1 to 6% by weight, more specifically 2 to 4% by weight have.

상기 (d) 단계는 상기 (c) 단계의 혼합물을 기판 상에 캐스팅한 후 캐스팅된 막을 건조시켜 수행될 수 있다.Step (d) may be performed by casting the mixture of step (c) on a substrate and then drying the cast film.

상기 캐스팅 막을 건조하는 과정은 구체적으로는 30 내지 150 ℃, 보다 구체적으로는 40 내지 100 ℃, 더욱 구체적으로는 50 내지 70 ℃의 온도에서, 구체적으로는 1 내지 24 시간, 보다 구체적으로는 5 내지 20 시간, 더욱 구체적으로는 11 내지 13 시간 동안 수행될 수 있고, 진공 건조하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.The process of drying the casting film is specifically 30 to 150 ℃, more specifically 40 to 100 ℃, more specifically 50 to 70 ℃ at a temperature of, specifically 1 to 24 hours, more specifically 5 to It may be carried out for 20 hours, more specifically 11 to 13 hours, and preferably vacuum drying, but is not limited thereto.

상기 (e) 단계에서, 상기 수산화물 용액은 구체적으로는 0.1 내지 5 M 농도, 보다 구체적으로는 0.5 내지 3 M 농도, 더욱 구체적으로는 0.8 내지 1.2 M 농도의 수산화칼륨일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In step (e), the hydroxide solution may specifically be potassium hydroxide at a concentration of 0.1 to 5 M, more specifically 0.5 to 3 M concentration, and more specifically 0.8 to 1.2 M concentration, but is limited thereto. no.

또한, 상기 침지 시간은 구체적으로는 1 내지 50 시간, 보다 구체적으로는 10 내지 30 시간, 더욱 구체적으로는 22 내지 26 시간일 수 있고, 상기 침지 후의 건조 시간은 구체적으로는 1 내지 50 시간, 보다 구체적으로는 10 내지 30 시간, 더욱 구체적으로 22 내지 26 시간일 수 있다. 이러한 과정을 통하여, 생성된 막에 존재하는 브롬화기(Br-)를 수산화기(OH-)의 형태로 변환할 수 있다.In addition, the immersion time may be specifically 1 to 50 hours, more specifically 10 to 30 hours, more specifically 22 to 26 hours, and the drying time after the immersion is specifically 1 to 50 hours, more Specifically, it may be 10 to 30 hours, more specifically 22 to 26 hours. Through this process, the bromination group (Br ) present in the resulting film can be converted into the form of a hydroxyl group (OH − ).

구체적으로, 상기 화학식 3으로 표현되는 반복단위를 갖는 4차 암모늄화된 폴리페닐렌옥사이드(QPPO)는 (1) 폴리(2,6-디메틸-1,4-페닐렌옥사이드), N-브로모석신이미드(NBS) 및 아조비스이소부티로니트릴(AIBN)를 혼합 후 구체적으로는 100 내지 200 ℃, 보다 구체적으로는 120 내지 160 ℃, 더욱 구체적으로는 125 내지 150 ℃에서 반응시켜 브롬화된 폴리페닐렌옥사이드(Br-PPO)를 수득하는 단계; (2) 상기 브롬화된 폴리페닐렌옥사이드 및 트리메틸암모늄(TMA) 용액을 혼합하여 구체적으로는 30 내지 200 ℃, 보다 구체적으로는 40 내지 150 ℃, 더욱 구체적으로는 50 내지 70 ℃에서 반응시켜 4차 암모늄화된 PPO(QPPO)를 생성하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.Specifically, the quaternary ammonium polyphenylene oxide (QPPO) having a repeating unit represented by Formula 3 is (1) poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide), N-bromo After mixing succinimide (NBS) and azobisisobutyronitrile (AIBN), specifically 100 to 200 ° C, more specifically 120 to 160 ° C, more specifically 125 to 150 ° C. obtaining phenylene oxide (Br-PPO); (2) The brominated polyphenylene oxide and trimethylammonium (TMA) solution are mixed and reacted at 30 to 200 ° C., more specifically 40 to 150 ° C., more specifically 50 to 70 ° C. It may be prepared including; producing an ammoniumized PPO (QPPO).

또한, 상기 화학식 2로 표현되는 4차 암모늄화된 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산(QPOSS)은 하기 화학식 4로 표현되는 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산(POSS) 및 4차 암모늄화 시약을 반응시키는 단계를 통하여 제조될 수 있다.In addition, the quaternary ammonated polyhedral oligomeric silsesquioxane (QPOSS) represented by Chemical Formula 2 is polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) represented by the following Chemical Formula 4 and a quaternary ammonium reagent It can be prepared through the step of reacting.

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112019044402446-pat00013
Figure 112019044402446-pat00013

상기 R은 하기 화학식 4-1로 표현되는 화합물이다.R is a compound represented by the following Chemical Formula 4-1.

[화학식 4-1][Formula 4-1]

Figure 112019044402446-pat00014
Figure 112019044402446-pat00014

상기 POSS 및 4차 암모늄화 시약을 반응시키는 단계는 용매 존재하에 수행될 수 있으며, 상기 용매로는 트리에틸렌아민 및 테트라하이드로푸란(THF)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The step of reacting the POSS and the quaternary ammonium reagent may be performed in the presence of a solvent, and triethyleneamine and tetrahydrofuran (THF) may be used as the solvent, but is not limited thereto.

상기 POSS 및 4차 암모늄화 시약의 반응은 구체적으로는 30 내지 200 ℃, 보다 구체적으로는 40 내지 150 ℃, 더욱 구체적으로는 50 내지 70 ℃에서 수행될 수 있다.The reaction of the POSS and the quaternary ammonium reagent may be specifically carried out at 30 to 200 °C, more specifically 40 to 150 °C, more specifically 50 to 70 °C.

상기 4차 암모늄 시약으로는 글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드(GTMAC), 글리시딜트리에틸암모늄 클로라이드(GTEAC), 글리시딜트리메틸암모늄 브로마이드(GTMAB) 및 클로로메틸벤질트리메틸암모늄 클로라이드(CMBTMAC) 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로는 글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드를 사용할 수 있다.The quaternary ammonium reagent is selected from glycidyltrimethylammonium chloride (GTMAC), glycidyltriethylammonium chloride (GTEAC), glycidyltrimethylammonium bromide (GTMAB) and chloromethylbenzyltrimethylammonium chloride (CMBTMAC) One or more types may be used, but the present invention is not limited thereto. Specifically, glycidyltrimethylammonium chloride can be used.

특히, 하기 실시예 또는 비교예 등에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명의 음이온 교환막을 제조하는 과정에 있어서, 다양한 종류의 POSS 및 용매, (c) 단계 수행 조건, (c) 단계에서 QPPO에 대한 상기 POSS의 중량비율, (d) 단계의 수행 조건 및 (e) 단계의 수행 조건을 달리하여 제조된 음이온 교환막에 대하여 비틀림 강도를 측정하였으며, 주사전자현미경(SEM)을 통하여 외부 표면의 거칠기를 확인하였다.In particular, although not explicitly described in the following Examples or Comparative Examples, in the process of manufacturing the anion exchange membrane of the present invention, various types of POSS and solvents, (c) step performing conditions, (c) QPPO in step (c) The torsional strength was measured for the anion exchange membrane prepared by varying the weight ratio of the POSS to the POSS, the conditions for performing step (d) and the conditions for performing step (e), and the roughness of the outer surface was measured through a scanning electron microscope (SEM). Confirmed.

그 결과, 다른 종류의 POSS 및 용매와 다른 수치 범위에서와는 달리, 아래 조건이 모두 만족하였을 때 300 회 비틀림 강도 측정 후에도 전혀 파괴되지 않았고, 초기 외부 표면의 거칠기가 상당히 매끄러웠을 뿐만 아니라, 300 회 비틀림 강도 측정 후에도 외부 표면의 거칠기의 변화 및 결점이 관찰되지 않았다. As a result, unlike other types of POSS and solvents and in different numerical ranges, when all of the following conditions were satisfied, there was no fracture even after 300 torsional strength measurements, and the initial outer surface roughness was quite smooth, and the torsional strength was 300 times. No change in roughness and defects of the outer surface were observed even after measurement.

다만, 아래 조건 중 어느 하나라도 충족되지 않는 경우에는 비틀림 강도 측정에 따른 파괴가 일어났을 뿐만 아니라, 외부 표면에 상당한 결점 및 거칠기 변화가 관측되었다.However, when any one of the following conditions was not satisfied, not only failure occurred according to torsional strength measurement, but also significant defects and changes in roughness were observed on the outer surface.

(ⅰ) POSS는 하기 화학식 2로 표현되는 4차 암모늄화된 POSS(QPOSS), (ⅱ) 제1 용매는 N-메틸-2-피롤리돈, (ⅲ) 제2 용매는 디메틸설폭사이드, (ⅳ) (c) 단계는 상온에서 3 내지 5 시간 동안 수행, (ⅴ) (c) 단계에서 QPPO에 대한 상기 POSS의 중량비율은 2 내지 4 중량%, (ⅵ) (d) 단계는 상기 (c) 단계의 혼합물을 기판 상에 캐스팅한 후 캐스팅된 막을 건조시켜 수행, (ⅶ) 상기 캐스팅 막의 건조 온도는 50 내지 70 ℃, (ⅷ) 상기 캐스팅 막의 건조 시간은 11 내지 13 시간 동안 수행, (ⅸ) 수산화물 용액은 0.8 내지 1.2 M의 수산화칼륨 용액, (ⅹ) (e) 단계의 침지 시간은 22 내지 26 시간, (ⅹⅰ) (e) 단계의 침치 후의 건조 시간은 22 내지 26 시간 (i) POSS is quaternary ammonium POSS (QPOSS) represented by the following formula (2), (ii) the first solvent is N-methyl-2-pyrrolidone, (iii) the second solvent is dimethyl sulfoxide, ( iv) (c) is carried out at room temperature for 3 to 5 hours, (v) the weight ratio of the POSS to QPPO in (c) is 2 to 4 wt%, (vi) (d) is the step (c) ) after casting the mixture on the substrate and then drying the cast film, (vii) the drying temperature of the casting film is 50 to 70 ℃, (viii) the drying time of the casting film is carried out for 11 to 13 hours, (vii) ) hydroxide solution is 0.8 to 1.2 M potassium hydroxide solution, (x) the immersion time in step (e) is 22 to 26 hours, (xi) the drying time after soaking in step (e) is 22 to 26 hours

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112019044402446-pat00015
Figure 112019044402446-pat00015

상기 R은 하기 화학식 2-1로 표현되는 화합물이다.R is a compound represented by the following Chemical Formula 2-1.

[화학식 2-1][Formula 2-1]

Figure 112019044402446-pat00016

Figure 112019044402446-pat00016

이하에서는 본 발명에 따른 제조예 및 실시예를 첨부된 도면과 함께 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, manufacturing examples and embodiments according to the present invention will be described in detail with accompanying drawings.

제조예 1: 4차 암모늄화된 폴리페닐렌옥사이드(QPPO)의 합성Preparation Example 1: Synthesis of quaternary ammonated polyphenylene oxide (QPPO)

폴리(2,6-디메틸-1,4-페닐렌옥사이드)에 N-브로모석신이미드(NBS) 및 아조비스이소부티로니트릴(AIBN)를 혼합한 후 135 ℃에서 반응시켜 브롬화된 폴리페닐렌옥사이드를 수득하였다. 상기 브롬화된 폴리페닐렉옥사이드에 트리메틸아민 용액을 혼합하고 60 ℃에서 반응시켜 4차 암모늄화된 폴리페닐렌옥사이드(QPPO)를 합성하였다(도 1(a)).
Poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) was mixed with N-bromosuccinimide (NBS) and azobisisobutyronitrile (AIBN) and reacted at 135° C. to brominated polyphenyl Renoxide was obtained. A trimethylamine solution was mixed with the brominated polyphenylene oxide and reacted at 60 ° C. to synthesize quaternary ammonium polyphenylene oxide (QPPO) (FIG. 1(a)).

제조예 2: 4차 암모늄화된 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산(QPOSS)의 합성Preparation Example 2: Synthesis of quaternary ammonated polyhedral oligomeric silsesquioxane (QPOSS)

폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산(POSS), 트리에틸아민 및 글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드을 테트라하이드로푸란(THF) 용매하에 60 ℃에서 반응시켜, 하기 화학식 2로 표현되는 4차 암모늄화된 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산(QPOSS)을 합성하였다(도 1(b)).
Polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS), triethylamine, and glycidyltrimethylammonium chloride were reacted at 60° C. in a tetrahydrofuran (THF) solvent, and the quaternary ammonium polyhead represented by the following Chemical Formula 2 Ral oligomeric silsesquioxane (QPOSS) was synthesized (FIG. 1(b)).

실시예 1 내지 3: QPPO-QPOSS 음이온 교환막의 제조Examples 1 to 3: Preparation of QPPO-QPOSS anion exchange membrane

N-메틸-2-피롤리돈에 상기 제조예 1로부터 합성한 QPPO를 용해하여 제1 용액을 수득하고, 디메틸설폭사이드에 상기 제조예 2로부터 합성한 QPOSS를 혼합하여 제2 용액을 수득하였다. 이후 상기 제1 용액 및 제2 용액을 상온에서 4 시간 동안 혼합하였다. 상기 혼합물을 투명한 유리 페트리디쉬 상에 캐스팅한 다음, 60 ℃에서 12 시간 동안 진공 하에 건조시켜 막을 형성하였다. 상기 형성한 막을 상온에서 1 M의 수산화칼륨 용액에 24 시간 동안 담근 후, 다시 상온에서 24 시간 동안 건조시킴으로써 QPPO/QPOSS 음이온 교환막을 제조하였다. 상기 QPPO에 대한 QPOSS의 중량 비율을 1, 3 및 5 중량%가 되도록 하여 각각 실시예 1 내지 3으로 하였고, 중량비율에 따라 QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-3 및 QPPO-QPOSS-5로 명명하였다.
A first solution was obtained by dissolving QPPO synthesized in Preparation Example 1 in N-methyl-2-pyrrolidone, and QPOSS synthesized in Preparation Example 2 was mixed with dimethyl sulfoxide to obtain a second solution. Then, the first solution and the second solution were mixed at room temperature for 4 hours. The mixture was cast on a clear glass Petri dish and then dried under vacuum at 60° C. for 12 hours to form a film. A QPPO/QPOSS anion exchange membrane was prepared by immersing the formed membrane in 1 M potassium hydroxide solution at room temperature for 24 hours, and then drying it again at room temperature for 24 hours. The weight ratios of QPOSS to QPPO were 1, 3, and 5 wt%, respectively, to Examples 1 to 3, and QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-3 and QPPO-QPOSS-5 according to the weight ratio. named.

도 2는 본 발명의 제조예 1로부터 4차 암모늄화된 폴리페닐렌옥사이드(QPPO)의 합성에 사용된 (a) 폴리페닐렌옥사이드(PPO) 및 (b) 브롬화된 폴리페닐렌옥사이드(Br-PPO)와 (c) 4차 암모늄화 폴리페닐렌옥사이드(QPPO)의 1H NMR(핵자기공명) 및 (d) PPO, Br-PPO 및 QPPO의 FTIR(푸리에 변환 적외분광) 스펙트럼이다.2 is (a) polyphenylene oxide (PPO) and (b) brominated polyphenylene oxide (Br-) used in the synthesis of quaternary ammonium polyphenylene oxide (QPPO) from Preparation Example 1 of the present invention; PPO) and (c) 1 H NMR (nuclear magnetic resonance) of quaternary ammonium polyphenylene oxide (QPPO) and (d) FTIR (Fourier transform infrared) spectra of PPO, Br-PPO and QPPO.

도 2 (a) 내지 (b)를 참조하면, 6.4 내지 6.8 ppm에서의 shift는 PPO의 아릴 양성자에 할당된다(도 2(a)). 벤질기에 해당하는 양성자는 1.92 내지 2.25 ppm으로 나타났다 (도 2(a)). 또한, 약 4.27 ppm에서 관찰된 날카로운 피크를 통하여 브롬화된 PPO의 성공적인 형성을 확인할 수 있다(도 2(b)). 또한, 메틸렌 피크(-CH2Br)에 해당하는 피크가 4.5 ppm으로 작아지고 트리메틸암모늄 양이온의 양성자에 상응하는 날카로운 새로운 화학적 shift가 약 3.2 ppm으로 나타나 성공적인 4 차 암모늄화가 이루어졌음을 확인할 수 있다(도 2(c)).2 (a) to (b), the shift at 6.4 to 6.8 ppm is assigned to the aryl proton of PPO (Fig. 2 (a)). The proton corresponding to the benzyl group was found to be 1.92 to 2.25 ppm (FIG. 2(a)). In addition, the successful formation of brominated PPO can be confirmed through the sharp peak observed at about 4.27 ppm (Fig. 2(b)). In addition, the peak corresponding to the methylene peak (-CH 2 Br) was reduced to 4.5 ppm, and a sharp new chemical shift corresponding to the proton of the trimethylammonium cation appeared at about 3.2 ppm, confirming that successful quaternary ammoniumization was achieved ( Figure 2(c)).

도 2(d)를 참조하면, FTIR 분석에서 1600 cm-1은 C=C 결합 신장(bond stretching)에 해당하며 1190 cm-1에서의 피크는 PPO의 C-O-C 스트레칭으로 인한 것으로 판단된다. 브롬화된 PPO에서 730 cm-1 및 1080 cm-1에서 관찰된 신장 진동 밴드(C-Br)는 PPO의 브롬화를 확인할 수 있다. 4 차 암모늄화 처리 후, 730 cm-1의 피크가 사라지고 N-H 신축(stretch)에 할당된 새로운 밴드가 3325 cm-1 부근에서 자극되어 -CH2Br 그룹이 -N+(CH3)3 그룹으로 전환되었음을 확인하였다.
Referring to FIG. 2(d), in FTIR analysis, 1600 cm −1 corresponds to C=C bond stretching, and the peak at 1190 cm −1 is determined to be due to COC stretching of PPO. The extension oscillation bands (C-Br) observed at 730 cm -1 and 1080 cm -1 in brominated PPO can confirm the bromination of PPO. After quaternary ammonium treatment, the peak at 730 cm −1 disappears and a new band assigned to NH stretch is stimulated near 3325 cm −1 to convert the -CH 2 Br group to the -N + (CH 3 ) 3 group. conversion was confirmed.

도 3은 본 발명의 제조예 1로부터 합성된 QPPO 및 제조예 2로부터 합성된 QPOSS의 (a) 1H NMR(핵자기공명) 및 (b) FTIR(푸리에 변환 적외분광) 스펙트럼이다. 3 is (a) 1 H NMR (nuclear magnetic resonance) and (b) FTIR (Fourier transform infrared) spectra of QPPO synthesized in Preparation Example 1 and QPOSS synthesized in Preparation Example 2 of the present invention.

도 3을 참조하면, 1.73 ppm(Ha), 2.79 ppm(Hb) 및 3.4 ppm(Hc) 근처의 피크는 각각 -CH2Si, -CH2- 및 -CH2N으로부터의 양성자의 화학적 이동과 관련되어 있다. QPOSS에서 4.02 ppm(Hd) 근처에 나타나는 새로운 피크는 글리시틸트리메틸 암모늄 클로라이드(GTMAC)의 메틸 양성자의 화학적 이동에 해당하며, OPOSS의 성공적인 4 차 암모늄화를 확인할 수 있다. 또한, NH3 + 스트레칭 및 밴딩 진동은 각각 3430 cm-1 및 1610 cm-1에서 관찰되었고, 1225 cm-1, 1080 cm-1 및 705 cm-1의 피크는 각각 C-N 스트레칭, Si-O-Si 대칭 스트레칭 및 Si-C 스트레칭의 존재에 기인함을 확인할 수 있다. 또한, 2810 cm-1 및 2897 cm-1에서의 흡수 피크는 각각 메톡시 및 메틸렌 그룹의 C-H 신장에 할당되었고, QPOSS에서, 1475 cm-1에서 관찰된 적당한(moderate) 강도를 갖는 흡수 밴드는 4 차 암모늄 그룹에서 N-C 결합의 대칭 스트레칭(symmetric stretching)에 기인함을 확인하였다. 또한, 글리시딜트리메틸 암모늄 클로라이드와 반응하여 NH3 + 밴딩에 상응하는 피크가 1580 cm-1로 이동하였고, 새로운 피크가 1738 cm-1에 나타난 4 차 암모늄 그룹에 속하며, OPOSS 재료와 같은 나노 케이지가 성공적으로 4 차 암모늄 그룹과 접목되었음(grafted)을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 3 , peaks near 1.73 ppm (Ha), 2.79 ppm (Hb) and 3.4 ppm (Hc) are related to chemical shifts of protons from -CH 2 Si, -CH 2 - and -CH 2 N, respectively. has been The new peak appearing near 4.02 ppm (Hd) in QPOSS corresponds to the chemical shift of the methyl proton of glycytyltrimethyl ammonium chloride (GTMAC), confirming the successful quaternary ammoniumization of OPOSS. In addition, NH 3 + stretching and banding oscillations were observed at 3430 cm -1 and 1610 cm -1 , respectively, and the peaks at 1225 cm -1 , 1080 cm -1 and 705 cm -1 were CN stretching, Si-O-Si, respectively. It can be confirmed that this is due to the presence of symmetrical stretching and Si-C stretching. In addition, the absorption peaks at 2810 cm -1 and 2897 cm -1 were assigned to the CH extensions of the methoxy and methylene groups, respectively, and in QPOSS, the absorption bands with moderate intensity observed at 1475 cm -1 were 4 It was confirmed that this is due to the symmetric stretching of the NC bond in the secondary ammonium group. In addition, in reaction with glycidyltrimethyl ammonium chloride, the peak corresponding to NH 3 + banding shifted to 1580 cm -1 , and a new peak belongs to the quaternary ammonium group appeared at 1738 cm -1 , and nanocages such as OPOSS material It can be confirmed that was successfully grafted with a quaternary ammonium group.

도 4는 본 발명의 제조예 1로부터 합성된 QPPO와 실시예 1 내지 3으로부터 합성된 QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 및 QPPO-QPOSS-3의 FTIR(푸리에 변환 적외분광) 스펙트럼이다.4 is a FTIR (Fourier transform infrared) spectrum of QPPO synthesized in Preparation Example 1 and QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 and QPPO-QPOSS-3 synthesized in Examples 1 to 3 of the present invention.

도 4를 참조하면, 약 3500 cm-1의 광대역(Broad band)은 O-H의 신장 진동에 할당되고 1020 cm-1의 밴드는 C-OH 신장 진동에 각각 대응하였다. 1460 cm-1 및 1600 cm-1의 밴드는 페닐 그룹의 특유의 CH2 굽힘(bending) 및 C=C 신장(stretching)에 속하며, 1190 cm-1에서의 피크는 각각 PPO의 C-O-C 스트레칭에 기인함을 확인하였다. 또한, 1300 cm-1의 밴드는 PPO의 4 차화 C-N 신장(stretching)에 속하는 것으로 판단된다. 또한, 순수 QPPO 막 이외의 모든 막에서 1688 cm-1의 새로운 흡수 밴드는 QPOSS에서 유래하여 하이브리드 복합 멤브레인의 형성을 나타낸다.
Referring to FIG. 4 , a broad band of about 3500 cm −1 is assigned to the extension vibration of OH and a band of 1020 cm −1 corresponds to the extension vibration of C—OH, respectively. The bands at 1460 cm −1 and 1600 cm −1 belong to the characteristic CH 2 bending and C=C stretching of the phenyl group , and the peak at 1190 cm −1 is due to the COC stretching of PPO, respectively. was confirmed. In addition, the band at 1300 cm −1 is considered to belong to the quaternized CN stretching of PPO. In addition, a new absorption band at 1688 cm −1 in all membranes other than the pure QPPO membrane originates from QPOSS, indicating the formation of a hybrid composite membrane.

도 5는 본 발명의 제조예 1로부터 합성된 QPPO와 실시예 1 내지 3으로부터 합성된 Q-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 및 QPPO-QPOSS-3의 TGA(열중량 분석) 그래프이다.5 is a TGA (thermogravimetric analysis) graph of QPPO synthesized from Preparation Example 1 and Q-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 and QPPO-QPOSS-3 synthesized from Examples 1 to 3 of the present invention.

도 5를 참조하면, 6 내지12 %의 중량 손실을 갖는 230 ℃이하의 원초적(primordial) 분해는 멤브레인에 존재하는 흡수/결합된 물과 잔류 용매의 증발로부터 기인된 것으로 확인하였다. 또한, 230 ℃에서 350 ℃까지의 두 번째 체중 감량은 막에 존재하는 4 차 암모늄 그룹의 절단에 속하였고, 350 ℃ 이상의 최종 중량 감소는 폴리머 백본의 분해로 인한 것으로 확인하였다. 또한, 230 ℃까지 발생하는 분해를 제외하고, 복합 재료의 열 안정성은 충진 입자와 고분자 매트릭스 사이의 강한 계면 상호 작용에 기인하는 450 ℃ 이하의 QPOSS 나노 입자의 첨가를 통해 향상되었음을 확인하였다. 그러나, 순수 막(QPPO)과 비교하여, 복합막(QPPO-QPOSS)은 고온에서 더 많은 중량 손실을 보였다. 이것은 복합막 내 고온에서 중합체 주쇄의 열적 안정성보다 열 안정성이 낮은 QPOSS의 분해에 기인할 수 있는 것으로 판단된다. 모든 준비된 막은 200 ℃ 이상의 열분해 온도를 나타내어 100 ℃ 이하에서 작동하는 연료 전지에 적용하기에 충분한 열 안정성을 제공할 수 있음을 확인하였다.
Referring to FIG. 5 , it was confirmed that the primordial degradation below 230° C. with a weight loss of 6 to 12% resulted from the absorption/bound water present in the membrane and evaporation of the residual solvent. In addition, it was confirmed that the second weight loss from 230 °C to 350 °C belonged to the cleavage of the quaternary ammonium group present in the membrane, and the final weight loss above 350 °C was due to decomposition of the polymer backbone. In addition, it was confirmed that, except for decomposition that occurred up to 230 °C, the thermal stability of the composite material was improved through the addition of QPOSS nanoparticles below 450 °C, which was attributed to the strong interfacial interaction between the filler particles and the polymer matrix. However, compared to the pure membrane (QPPO), the composite membrane (QPPO-QPOSS) showed more weight loss at high temperature. It is considered that this may be due to the decomposition of QPOSS, which has lower thermal stability than that of the polymer main chain at high temperature in the composite membrane. It was confirmed that all the prepared membranes exhibited a thermal decomposition temperature of 200 °C or higher, thereby providing sufficient thermal stability for application to fuel cells operating at 100 °C or lower.

PropertiesProperties SampleSample designationdesignation QPPOQPPO QPPO-QPOSS-1QPPO-QPOSS-1 QPPO-QPOSS-3QPPO-QPOSS-3 QPPO-QPOSS-5QPPO-QPOSS-5 TensileTensile strength ( strength ( MPaMPa )) 9.3±0.59.3±0.5 12.9±1.012.9±1.0 15.4±0.415.4±0.4 8.6±0.88.6±0.8 ElongationElongation atat break (%) break (%) 25.3±1.225.3±1.2 22.9±2.222.9±2.2 18.8±1.918.8±1.9 26.2±1.826.2±1.8 IECIEC ( ( meqmeq g g -1-One )) 2.33±0.032.33±0.03 3.95±0.023.95±0.02 4.81±0.044.81±0.04 4.47±0.034.47±0.03 BoundBound waterwater (%) (%) 1.681.68 1.711.71 1.751.75 2.262.26 BulkBulk waterwater (%) (%) 15.7215.72 4.994.99 6.356.35 5.645.64 ActivationActivation energy energy
(( KJKJ molmol -1-One ))
9.159.15 7.177.17 8.568.56 9.009.00

상기 표 1에는 제조예 1로부터 합성된 QPPO와 실시예 1 내지 3으로부터 합성된 QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 및 QPPO-QPOSS-3의 인장강도, 파단시 연신율, 이온교환용량(IEC), 결합수, 자유수 및 활성화 에너지를 나타내었다.Table 1 shows the tensile strength, elongation at break, and ion exchange capacity (IEC) of QPPO synthesized in Preparation Example 1 and QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 and QPPO-QPOSS-3 synthesized in Examples 1 to 3 ), bound water, free water and activation energy are shown.

상기 표 1을 참조하면, 순수 QPPO 막은 9.3 MPa의 인장강도 및 25.3 %의 파단시 연신율을 나타냈다. 막의 인장강도는 QPOSS가 3 중량%까지 증가함에 따라 증가했음을 확인할 수 있다. 반대로, 연신율의 경향은 필러의 높은 함량이 멤브레인의 증가된 강성 및 감소 된 유연성을 초래하는 것과 상반되는 것으로 간주된다. 또한, QPPO-QPOSS-3 막의 파단시 연신율이 18.8 % 인 15.4 MPa의 최대 인장 강도가 달성되었음을 확인할 수 있고, QPOSS의 추가는 QPOSS의 응집에 의해 파괴된 막의 균질성으로서 기계적 강도의 감소로 이어지는 것으로 판단된다.Referring to Table 1, the pure QPPO membrane exhibited a tensile strength of 9.3 MPa and an elongation at break of 25.3%. It can be seen that the tensile strength of the membrane increased as the QPOSS increased to 3 wt%. Conversely, the trend of elongation is considered to be contrary to that a high content of filler results in increased stiffness and decreased flexibility of the membrane. In addition, it can be confirmed that the maximum tensile strength of 15.4 MPa with an elongation at break of 18.8% of the QPPO-QPOSS-3 membrane was achieved. do.

또한, 매체로서의 물이 전하 캐리어의 운반을 용이하게 하더라도, 과량의 물은 기계적 안정성의 손실 및 이온 전도도의 저하를 가져옴을 알 수 있고, 이상적인 음이온 교환막은 적절한 함습성(water uptake), 기계적 특성 및 우수한 전도성을 유지해야함을 알 수 있다. QPPO-QPOSS-3(WU = 8.1 %; Swelling = 6.3 %)의 함습성 및 세로 팽창률은 QPPO-QPOSS-1(WU = 6.7 %; Swelling = 5.3 %) 및 QPPO-QPOSS-5 QPPO-QPOSS-5 (WU = 7.9 %; Swelling = 5.2 %) 막보다 높은 것으로 확인되었으며, 또한, 이 값은 안정성이 더 우수한 QPPO 막(WU = 17.4 %, 팽창 = 7.2 %)의 값보다 상대적으로 작았다. 증가된 친수성은 높은 농도의 QPOSS에서 멤브레인에 많은 수의 -N+(CH3)3 기가 존재하기 때문에 발생하였다. 또한, 글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드(GTMAC)의 그래프트는 POSS의 결정성을 감소시킬 수 있으며 이는 복합막의 결정성의 저하를 초래할 수 있다. 이것들은 물-막 상호 작용과 최대 3 wt %의 충진재로 인한 물의 높은 흡착에 기인하는 것으로 판단된다.
In addition, although water as a medium facilitates the transport of charge carriers, it can be seen that an excess of water leads to loss of mechanical stability and lowering of ionic conductivity, and an ideal anion exchange membrane has adequate water uptake, mechanical properties and It can be seen that excellent conductivity must be maintained. The wettability and longitudinal expansion of QPPO-QPOSS-3 (WU = 8.1 %; Swelling = 6.3 %) were QPPO-QPOSS-1 (WU = 6.7 %; Swelling = 5.3 %) and QPPO-QPOSS-5 QPPO-QPOSS-5 (WU = 7.9 %; Swelling = 5.2 %) was found to be higher than that of the membrane, and this value was also relatively smaller than that of the QPPO membrane (WU = 17.4 %, swelling = 7.2 %) with better stability. The increased hydrophilicity occurred due to the presence of a large number of -N + (CH 3 ) 3 groups in the membrane at high concentrations of QPOSS. In addition, grafting of glycidyltrimethylammonium chloride (GTMAC) may reduce the crystallinity of POSS, which may lead to deterioration of the crystallinity of the composite film. These are believed to be attributable to the water-membrane interaction and the high adsorption of water due to up to 3 wt % of the filler.

도 6은 본 발명의 제조예 1로부터 합성된 QPPO와 실시예 1 내지 3으로부터 합성된 QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 및 QPPO-QPOSS-3의 (a) 함수율(water uptake), (b) 치수 안정성(dimesional stability) 및 (c) 결합수(bound water) 함량을 나타낸 그래프이다.Figure 6 is (a) of the QPPO synthesized from Preparation Example 1 of the present invention and QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 and QPPO-QPOSS-3 synthesized from Examples 1 to 3 (a) water uptake, ( b) dimensional stability and (c) a graph showing the content of bound water.

도 6을 참조하면, 함습성 및 팽창률은 온도에 따라 증가하였다. 이는 고온에서 고분자 사슬의 이동성이 증가하여 물을 담을 수있는 공간이 넓어졌기 때문으로 판단된다. QPPO-QPOSS-3 막의 면내 팽창은 80 ℃에서의 순수 QPPO 막 보다 2.3 배 낮은 것으로 밝혀졌으며, 치수 안정성이 향상되었음을 확인하였다. QPOSS 함량이 3 중량%로 증가함에 따라 OH- 형태의 막의 IEC는 모든 단일 QPOSS 분자에 8 개의 4 급 암모늄 이온 교환기가 포함되어 있기 때문에, 4 차화 된 POSS 구조에서 형성된 많은 양의 수산화 이온 클러스터로 인해 초기(pristine) QPPO 막의 2.33 meq g-1에서 4.81 meq g-1로 증가하였다. 한편, 이온 교환 가능한 부위의 응집 및 차단과 이에 따른 수분 흡수 및 자유 부피의 감소에 사용 가능한 극성기의 수의 감소는 고농도의 충전제에서의 IEC 및 함습성을 감소시킴을 확인하였다. Referring to FIG. 6 , the moisture content and expansion rate increased with temperature. This is thought to be due to the increased mobility of the polymer chains at high temperatures, resulting in a wider space to contain water. The in-plane expansion of the QPPO-QPOSS-3 membrane was found to be 2.3 times lower than that of the pure QPPO membrane at 80 °C, confirming that the dimensional stability was improved. As the QPOSS content increased to 3% by weight, the IEC of the OH- form membrane showed that every single QPOSS molecule contained eight quaternary ammonium ion exchangers, due to the large amount of hydroxide ion clusters formed in the quaternized POSS structure. It increased from 2.33 meq g −1 to 4.81 meq g −1 of the pristine QPPO membrane. On the other hand, it was confirmed that the reduction in the number of polar groups available for aggregation and blocking of ion-exchangeable sites and thus for water absorption and reduction of free volume decreased IEC and moisture content in high concentration fillers.

막에 존재하는 물의 주요 유형은 자유수 및 결합 수의 두 가지 유형인데, 자유수는 이온 전도 채널을 채울 수 있고 결합수는 이온 용매 껍질을 형성한다. 결합수는 고온에서의 이온 전도에 더 큰 영향을 미치므로 벌크/자유수보다 쉽게 증발하지 않는다. QPPO-QPOSS-5는 모든 막 중 가장 높은 결합수 함량 (2.26%)을 나타내었다. 그러나 벌크수(자유수)는 QPOSS 응집의 결과로 불충분한 여유 공간으로 인해 QPPO-QPOSS-3 막에 비해 낮게 나타났다. 높은 벌크수(15.72 %)와 낮은 결합수(1.68 %)의 존재는 순수 QPPO 막에 대한 전도도(80 ℃에서 18.4 mS cm-1)를 감소시켰고, QPPO-QPOSS-1 막의 낮은 자유수(4.99 %)는 또한 효과적인 이온 수송을 지원하기에 충분하지 못함을 확인하였다. 관찰된 이온 전도도는 80 ℃에서 약 33.8 mS cm-1이었고, 1.75 % 및 6.35 %의 결합수 및 벌크/자유수를 갖는 QPPPO-QPOSS-3 막(80 ℃에서 71.3 mS cm-1)에 대해 더 높은 전도도가 관찰되었다. 따라서 효과적인 이온 수송을 지원하기 위해서는 결합수 및 벌크수(자유수) 사이의 최상의 균형이 필요함을 확인할 수 있다.
There are two main types of water present in membranes, free water and bound water, where free water can fill ion conducting channels and bound water forms an ionic solvent shell. Bound water has a greater effect on ion conduction at high temperatures and therefore does not evaporate as easily as bulk/free water. QPPO-QPOSS-5 showed the highest bound water content (2.26%) among all membranes. However, the bulk water (free water) was lower than that of the QPPO-QPOSS-3 membrane due to insufficient free space as a result of QPOSS aggregation. The presence of high bulk water (15.72%) and low bound water (1.68%) decreased the conductivity (18.4 mS cm- 1 at 80 °C) for the pure QPPO membrane, and the low free water (4.99%) of the QPPO-QPOSS-1 membrane. ) was also found to be insufficient to support effective ion transport. The observed ionic conductivity was about 33.8 mS cm −1 at 80° C., and was higher for the QPPPO-QPOSS-3 membrane (71.3 mS cm −1 at 80° C.) with 1.75% and 6.35% bound and bulk/free water. A high conductivity was observed. Therefore, it can be confirmed that the best balance between bound water and bulk water (free water) is required to support effective ion transport.

도 7은 본 발명의 제조예 1로부터 합성된 QPPO와 실시예 1 내지 3으로부터 합성된 QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 및 QPPO-QPOSS-3의 (a) 수산화이온 전도도 및 (b) 아레니우스 플롯(Arrhenius plot) 이다.7 shows (a) hydroxide ion conductivity and (b) of QPPO synthesized in Preparation Example 1 of the present invention and QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 and QPPO-QPOSS-3 synthesized in Examples 1 to 3; This is the Arrhenius plot.

OH- 형태 막의 이온 전도도는 음이온 교환막의 성능에 영향을 미치는 중요한 매개 변수이며, 이는 연료 전지의 실제 적용에 중대한 영향을 미친다. 도 7(a)를 참조하면, QPPO-QPOSS-3 막은 순수 QPPO 막보다 수산화 이온 전도도가 327 % 향상되었고, 이온 교환성 그룹의 고밀도와 QPOSS의 표면적에 기인하여 상온에서 5.12 × 10-2 Scm-1의 최고 값에 도달하여 수산기 이온 이동에 대한 저항성이 감소되었다. 또한, 다른 문헌에서 보 된 바와 같이 QPPO 사슬의 이동성을 통해 복합막의 자유 부피가 증가하여 25 내지 80 ℃의 온도 범위에서 온도에 따라 복합 막 모두의 전도도가 증가하므로 고온에서 이온성 클러스터의 확산이 가속화됨을 확인할 수 있다. QPPO-QPOSS-3 막은 80 ℃에서 8.77 × 10-2 Scm-1의 전도도를 나타냈으며, 상기한 바와 같이 우수한 수분 보유능을 나타내었고 기능성 암모늄 그룹들 사이의 거리가 감소하였음을 확인할 수 있다. 또한, QPOSS 농도가 3 중량 %를 초과하면, 멤브레인의 더 조밀한 구조는 비틀림을 증가시켜 복합막 내의 음이온 수송을 약화시키는 것으로 판단된다.The ionic conductivity of OH- type membranes is an important parameter affecting the performance of anion exchange membranes, which has a significant impact on the practical application of fuel cells. Referring to Figure 7 (a), QPPO-QPOSS -3 film was a pure hydroxide ion conductivity than 327% increase QPPO membrane, ion-exchange at ambient temperature due to the surface area of the high density and the group QPOSS 5.12 × 10 -2 Scm - The maximum value of 1 was reached and the resistance to hydroxyl ion migration decreased. In addition, as reported in other literatures, the free volume of the composite membrane increases through the mobility of QPPO chains, which increases the conductivity of both composite membranes with temperature in the temperature range of 25 to 80 °C, thus accelerating the diffusion of ionic clusters at high temperatures. can be verified. The QPPO-QPOSS-3 membrane exhibited a conductivity of 8.77 × 10 -2 Scm -1 at 80 ° C. As described above, it exhibited excellent water retention ability and it can be confirmed that the distance between functional ammonium groups was reduced. In addition, when the QPOSS concentration exceeds 3% by weight, it is judged that the denser structure of the membrane increases the torsion to weaken the anion transport in the composite membrane.

도 7(b)를 참조하면, 막의 이온 전도도는 아레니우스(Arrhenius) 거동을 따랐다. 활성화 에너지는 ln σ 대 1000/T(° K-1)의 회귀 직선의 기울기를 사용하여 계산되었으며, 그 값은 상기 표 1에 정리하였다. 복합막의 활성화 에너지는 QPOSS 나노입자로부터 이온화 가능한 그룹들의 기여로 인해 복합막에서보다 적은 에너지에 대한 요구를 입증하는 초기의 QPPO 막의 활성화 에너지보다 낮음을 확인하였고, 전도성에서 얻은 잘 선형적인 적합성은 전도 메커니즘이 주로 전도성 종의 Grotthuss/hopping에 의해 좌우된다는 것을 나타났다.
Referring to FIG. 7(b), the ionic conductivity of the membrane followed the Arrhenius behavior. The activation energy was calculated using the slope of the regression line of ln σ versus 1000/T(° K −1 ), and the values are summarized in Table 1 above. It was confirmed that the activation energy of the composite membrane was lower than that of the initial QPPO membrane, demonstrating the demand for less energy in the composite membrane due to the contribution of the ionizable groups from the QPOSS nanoparticles, and the well-linear fit obtained from the conduction mechanism It has been shown that this is mainly governed by Grotthuss/hopping of conductive species.

도 8은 본 발명의 제조예 1로부터 합성된 QPPO와 실시예 1 내지 3으로부터 합성된 QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 및 QPPO-QPOSS-3의 80 ℃에서의 시간 경과에 따른 수산화 이온 전도도를 나타낸 그래프이다. 8 is a view showing the hydroxide ions over time at 80 ° C. of QPPO synthesized in Preparation Example 1 and QPPO-QPOSS-1, QPPO-QPOSS-2 and QPPO-QPOSS-3 synthesized in Examples 1 to 3 of the present invention. This is a graph showing the conductivity.

장기 안정성은 직접 친핵 치환(direct nucleophilic substitution), 호프만 제거(Hofmann elimination) 및 질소 일라이드(nitrogen ylide)의 형성을 포함하는 4 급 암모늄 그룹의 잘 알려진 분해 경로로 인해 특히 알칼리 조건에서 전기 화학적 응용을 위한 AEM의 또 다른 병목이다. 제조된 복합막의 신뢰성을 조사하기 위해, 80 ℃에서 노화된 막(실온에서 1M KOH 용액)의 수산화물 전도성을 시간의 함수로서 기록하였다.Long-term stability makes electrochemical applications particularly attractive under alkaline conditions due to the well-known degradation pathways of quaternary ammonium groups, including direct nucleophilic substitution, Hofmann elimination, and formation of nitrogen ylide. Another bottleneck for AEM for To investigate the reliability of the prepared composite membrane, the hydroxide conductivity of the membrane aged at 80 °C (1M KOH solution at room temperature) was recorded as a function of time.

도 8을 참조하면, 모든 순수 및 복합 멤브레인은 200 시간 동안의 알칼리 처리 후에도 전도성이 향상되어 그 기간 동안 폴리머 사슬 절단이 없음을 확인할 수 있다. 흡수된 수산화칼륨 용액은 이온 채널 내부에 잘 갇혀있을 수 있고 OH- 이온은 탈 이온수에서 더 잘 용매화 될 수 있고 전도에 참여하여 4 차 암모늄 그룹의 분해를 지연시키는 것으로 판단된다. 전도도의 감소는 200 시간의 화학 물질 노출 후에만 관찰되었지만 초기 값보다 작지 않은 것은 준비된 막의 우수한 알칼리 안정성을 나타낼 수 있다. 결과적으로, 개선된 화학적 안정성은 QPPO 및 QPOSS에 의해 제공되는 입체장애에 기인하는 것으로 판단된다.
Referring to FIG. 8 , it can be seen that all pure water and composite membranes have improved conductivity even after alkali treatment for 200 hours, so that there is no polymer chain cleavage during that period. It is believed that the absorbed potassium hydroxide solution can be well trapped inside the ion channel and the OH ions can be better solvated in deionized water and participate in conduction, delaying the decomposition of the quaternary ammonium group. A decrease in conductivity was observed only after 200 h of chemical exposure, but not less than the initial value may indicate good alkali stability of the prepared membrane. Consequently, the improved chemical stability is judged to be due to the steric hindrance provided by QPPO and QPOSS.

상술한 바와 같이, 4 차 암모늄화 PPO 및 4 차 암모늄화 POSS에 포함하는 음이온 교환막은 양이온 그룹과 폴리머 백본의 분해없이 최대 230 ℃ 적용 안정성을 보였고, 4.81 meq-1의 IEC 값을 갖는 QPPO-QPOSS-3 막은 80 ℃에서 8.77 × 10-2 Scm-1의 전도도를 나타내었으며, 우수한 보수력(water retention ability)을 보였다. 또한, 상온에서 1M KOH에서 1200 시간 동안 알칼리성으로 노출한 후에도 80 ℃에서 102 %의 초기 전도도를 보여 우수한 화학적 안정성을 나타내었다.As described above, the anion exchange membrane included in the quaternary ammonium PPO and the quaternary ammonium POSS showed application stability up to 230 °C without decomposition of the cation group and the polymer backbone, and QPPO-QPOSS having an IEC value of 4.81 meq -1 The -3 membrane exhibited a conductivity of 8.77 × 10 -2 Scm -1 at 80 ° C, and showed excellent water retention ability. In addition, even after exposure to alkali for 1200 hours in 1M KOH at room temperature, it showed an initial conductivity of 102% at 80 °C, indicating excellent chemical stability.

그러므로 본 발명에 따르면, 4차 암모늄화된 폴리페닐렌옥사이드 및 4차 암모늄화된 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산을 포함하는 음이온 교환막을 제조하고, 상기 4차 암모늄화된 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산에 존재하는 긴 사슬의 입체장애로 인하여 이온전도성이 우수하면서도 알칼리 안정성을 갖는 음이온 교환막 연료전지로 응용할 수 있다.Therefore, according to the present invention, an anion exchange membrane comprising quaternary ammonium polyphenylene oxide and quaternary ammonium polyhedral oligomeric silsesquioxane is prepared, and the quaternary ammonium polyhedral oligomeric Due to the steric hindrance of the long chain present in silsesquioxane, it can be applied as an anion exchange membrane fuel cell with excellent ion conductivity and alkali stability.

Claims (11)

하기 화학식 1로 표현되는 반복단위를 갖는 4차 암모늄화된 폴리페닐렌옥사이드(QPPO)
[화학식 1]
Figure 112021003722539-pat00031

(상기 화학식 1에서, 상기 x는 반복단위 내 몰분율(%)로서, 상기 x는 1 내지 99의 정수이다) 및
하기 화학식 2로 표현되는 4차 암모늄화된 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산(QPOSS)를 포함하는 음이온 교환막.
[화학식 2]
Figure 112021003722539-pat00032

(상기 화학식 2에서, 상기 R은 하기 화학식 2-1로 표현되는 화합물이다)
[화학식 2-1]
Figure 112021003722539-pat00033
Quaternary ammonated polyphenylene oxide (QPPO) having a repeating unit represented by the following formula (1)
[Formula 1]
Figure 112021003722539-pat00031

(In Formula 1, x is a mole fraction (%) in the repeating unit, wherein x is an integer from 1 to 99) and
An anion exchange membrane comprising quaternary ammonium polyhedral oligomeric silsesquioxane (QPOSS) represented by Formula 2 below.
[Formula 2]
Figure 112021003722539-pat00032

(In Chemical Formula 2, R is a compound represented by the following Chemical Formula 2-1)
[Formula 2-1]
Figure 112021003722539-pat00033
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 QPPO에 대한 상기 QPOSS의 중량비율은 0.1 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는 음이온 교환막.
According to claim 1,
Anion exchange membrane, characterized in that the weight ratio of the QPOSS to the QPPO is 0.1 to 10% by weight.
제1항에 따른 음이온 교환막을 포함하는 알칼리 연료전지.An alkali fuel cell comprising the anion exchange membrane according to claim 1 . (a) 하기 화학식 3으로 표현되는 반복단위를 갖는 4차 암모늄화된 폴리페닐렌옥사이드(QPPO)를 제1 용매에 용해시켜 QPPO 용액을 수득하는 단계;
(b) 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산(POSS)을 제2 용매에 혼합하여 POSS 용액을 수득하는 단계;
(c) 상기 QPPO 용액 및 POSS 용액을 혼합하는 단계;
(d) 상기 (c) 단계의 혼합물을 막의 형태로 형성하는 단계; 및
(e) 상기 형성된 막을 수산화물 용액에 침지한 후 다시 건조시키는 단계를 포함하는 음이온 교환막의 제조방법.
[화학식 3]
Figure 112019044402446-pat00020

상기 x는 반복단위 내 몰분율(%)로서, 상기 x는 1 내지 99의 정수이다.
(a) dissolving a quaternary ammonium polyphenylene oxide (QPPO) having a repeating unit represented by the following Chemical Formula 3 in a first solvent to obtain a QPPO solution;
(b) mixing polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) in a second solvent to obtain a POSS solution;
(c) mixing the QPPO solution and the POSS solution;
(d) forming the mixture of step (c) in the form of a film; and
(e) a method for producing an anion exchange membrane comprising the step of immersing the formed membrane in a hydroxide solution and then drying again.
[Formula 3]
Figure 112019044402446-pat00020

Wherein x is a mole fraction (%) in the repeating unit, wherein x is an integer of 1 to 99.
제5항에 있어서,
상기 POSS는 하기 화학식 2로 표현되는 4차 암모늄화된 POSS(QPOSS)인 것을 특징으로 하는 음이온 교환막의 제조방법.
[화학식 2]
Figure 112019044402446-pat00021

상기 R은 하기 화학식 2-1로 표현되는 화합물이다.
[화학식 2-1]
Figure 112019044402446-pat00022
6. The method of claim 5,
The POSS is a method of manufacturing an anion exchange membrane, characterized in that the quaternary ammonium POSS (QPOSS) represented by the following formula (2).
[Formula 2]
Figure 112019044402446-pat00021

R is a compound represented by the following Chemical Formula 2-1.
[Formula 2-1]
Figure 112019044402446-pat00022
제5항에 있어서,
상기 제1 용매 및 제2 용매는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아미드, 디에틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 메탄올, 에탄올 및 에테르 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 음이온 교환막의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The first solvent and the second solvent are the same as or different from each other, and each independently N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylsulfoxide, dimethylformamide, diethylformamide, dimethylacetamide, methanol, ethanol and ether A method for producing an anion exchange membrane, characterized in that it is one or a mixture of two or more selected from among.
제5항에 있어서,
상기 (c) 단계는 상온에서 0.5 내지 24 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 음이온 교환막의 제조방법.
6. The method of claim 5,
Step (c) is a method for producing an anion exchange membrane, characterized in that carried out for 0.5 to 24 hours at room temperature.
제5항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 QPPO에 대한 상기 POSS의 중량비율은 0.1 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는 음이온 교환막의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The method for producing an anion exchange membrane, characterized in that the weight ratio of the POSS to QPPO in step (c) is 0.1 to 10% by weight.
제5항에 있어서,
상기 (d) 단계는 상기 (c) 단계의 혼합물을 기판 상에 캐스팅한 후 캐스팅된 막을 건조시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 음이온 교환막의 제조방법.
6. The method of claim 5,
Step (d) is a method for producing an anion exchange membrane, characterized in that the casting of the mixture of step (c) on a substrate and then drying the cast membrane.
제6항에 있어서,
상기 제1 용매는 N-메틸-2-피롤리돈이고,
상기 제2 용매는 디메틸설폭사이드이며,
상기 (c) 단계는 상온에서 3 내지 5 시간 동안 수행되며,
상기 (c) 단계에서 QPPO에 대한 상기 POSS의 중량비율은 2 내지 4 중량%이며,
상기 (d) 단계는 상기 (c) 단계의 혼합물을 기판 상에 캐스팅한 후 캐스팅된 막을 건조시켜 수행되며,
상기 캐스팅 막의 건조 온도는 50 내지 70 ℃이며,
상기 캐스팅 막의 건조 시간은 11 내지 13 시간 동안 수행되며,
상기 수산화물 용액은 0.8 내지 1.2 M의 수산화칼륨 용액이며,
상기 (e) 단계의 침지 시간은 22 내지 26 시간이며,
상기 (e) 단계의 침치 후의 건조 시간은 22 내지 26 시간인 것을 특징으로 하는 음이온 교환막의 제조방법.
7. The method of claim 6,
The first solvent is N-methyl-2-pyrrolidone,
The second solvent is dimethyl sulfoxide,
Step (c) is carried out at room temperature for 3 to 5 hours,
The weight ratio of the POSS to QPPO in step (c) is 2 to 4% by weight,
Step (d) is performed by casting the mixture of step (c) on a substrate and then drying the cast film,
The drying temperature of the casting film is 50 to 70 ℃,
The drying time of the casting film is carried out for 11 to 13 hours,
The hydroxide solution is 0.8 to 1.2 M potassium hydroxide solution,
The immersion time of step (e) is 22 to 26 hours,
The method for producing an anion exchange membrane, characterized in that the drying time after the immersion in step (e) is 22 to 26 hours.
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