KR20160037138A - Anion exchange electrolyte membrane, method for preparing the same, energy storage and water treating apparatus comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 음이온교환막 및 그 제조방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 방향족 탄화수소계 고분자 기반의 음이온전도성 전해질막 및 상기 전해질막을 포함하는 에너지 저장 장치 및 수처리장치에 관한 것이다.The present invention relates to an anion exchange membrane and a method for producing the same, and more particularly, to an energy storage device and a water treatment apparatus including an aromatic hydrocarbon-based polymer-based anion conductive electrolyte membrane and the electrolyte membrane.
이온 교환막은 고분자 분리막의 한 종류로서 막에 도입된 이온교환기(ion-exchangeable group) 종에 따라 음이온 혹은 양이온을 선택적으로 분리할 수 있다. 상업용으로 사용되고 있는 양이온 교환막의 경우 이온교환기로서는 크게 강산성인 술폰산 그룹(-SO3-)과 약산성인 카르복실산 그룹(-COO-)으로 나누어지며, 음이온 교환막의 경우에 있어서는 주로 강염기성인 4차 암모늄 그룹(-NR3)을 이온교환기로 갖게 된다.The ion-exchange membrane is a type of polymer membrane, and can separate anions or cations selectively depending on the type of ion-exchangeable group introduced into the membrane. In the case of cation exchange membranes used for commercial purposes, the ion exchanger is largely divided into a strong acid sulfonic acid group (-SO 3 -) and a weakly acidic carboxylic acid group (-COO-). In the case of anion exchange membranes, Group (-NR 3 ) as an ion-exchange group.
현재 이온 교환막을 산업분야에 적용한 예로서는 탈염 및 정제를 위한 전기투석공정(electrodialysis)과 물 분해 전기 투석공정(water-splitting electro dialysis) 그리고 산성폐액에서 산을 회수하는 확산투석(diffusion dialysis) 및 초순수 생산을 위한 전기탈염공정(electrodeionization)등을 들 수 있다. 특히 최근에는 이온 교환막이 고분자 전해질 연료전지나 레독스 흐름전지의 우수한 성능을 나타낼 수 있는 가능성을 시사함에 따라 이온 교환막에 대한 관심이 증가되고 있다. Current examples of ion exchange membrane applications include electrodialysis, water-splitting electrodialysis for desalination and purification, diffusion dialysis for recovery of acid from acidic wastewater and ultrapure water production And an electrode desorption process (electrodeionization process). Particularly recently, interest in ion exchange membranes has been increasing as the ion exchange membrane shows the possibility of exhibiting excellent performance of a polymer electrolyte fuel cell or a redox flow cell.
한편, 연료전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료극을 통해 연료를 공급하면 연료는 수소이온과 전자로 나눠지고, 수소이온은 전해질막을 통해 공기극에서 공급하는 산소와 결합하여 물을 생성한다. 상기 연료극의 연료에서 분리 되어진 전자는 외부회로를 통해 전류를 발생시키는 전기화학반응이 진행되어 전기와 열이 발생된다. On the other hand, the principle of generating electricity in a fuel cell is that when fuel is supplied through a fuel electrode, the fuel is divided into hydrogen ions and electrons, and hydrogen ions combine with oxygen supplied from the air electrode through the electrolyte membrane to produce water. The electrons separated from the fuel of the fuel electrode proceed to an electrochemical reaction that generates a current through an external circuit to generate electricity and heat.
상기의 연료전지 중에서 고분자전해질연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC), 직접메탄올연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC), 직접붕소수소화물연료전지(direct borohydride fuel cell, DBFC)는 전해질로 양이온 또는 수소이온전도 전해질막인 양이온 교환막을 채용하게 되지만, 이와 상이하게 직접붕소수소화물연료전지(direct borohydride fuel cell, DBFC), 고체알칼라인연료전지(solid alkaline fuel cell, SAFC)는 수산화이온 전도 전해질막인 음이온 교환막을 채용하여야 한다. 여기서 직접붕소수소화물연료전지는 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 모두 사용 가능하다. Among the fuel cells, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), a direct methanol fuel cell (DMFC), and a direct borohydride fuel cell (DBFC) A direct borohydride fuel cell (DBFC), and a solid alkaline fuel cell (SAFC) may be formed of a hydroxide ion conducting electrolyte membrane or a hydrogen ion conducting electrolyte membrane. Alternatively, a direct borohydride fuel cell Anion exchange membrane should be employed. Here, the direct boron hydride fuel cell can use both a cation exchange membrane and an anion exchange membrane.
이렇게 음이온 교환막을 채용하는 연료전지는 양이온 교환막을 채용하는 연료전지에 비해 비귀금속류 또는 비백금류 촉매를 전극에 사용할 수 있는 특징을 가지고 있어 가격 저감이 가능하다는 특징을 가지고 있다. The fuel cell employing the anion exchange membrane is characterized by being able to use a non-noble metal or a non-noble metal catalyst for the electrode as compared with the fuel cell employing the cation exchange membrane, and thus the price can be reduced.
또한 황산 용해 바나듐 전해질을 사용하는 레독스 흐름전지의 경우 양이온 교환막과 음이온 교환막을 사용할 수 있으며, 바나듐의 투과도 저하 및 시스템의 장기 구동을 위해 황산 용해 바나듐 전해질에서 내구성이 우수한 음이온 막의 기술 개발이 요구되고 있다. 더불어 수처리 장치, 특히 CDI 기술의 경우 내구성 향상을 위해 음이온 막의 기술 개발이 시급히 요구되고 있는 실정이다. In the case of a redox flow cell using a sulfuric acid vanadium electrolyte, a cation exchange membrane and an anion exchange membrane can be used. In order to lower the permeability of vanadium and to operate the system for a long time, development of an anion membrane having excellent durability in a sulfuric acid- have. In addition, in the case of a water treatment apparatus, especially CDI technology, development of anion membrane technology is urgently required to improve durability.
본 발명자들은 다수의 연구 결과 에너지 저장 장치 및 수처리 장치에 모두 적용이 가능한 저가의 음이온전도성 전해질막을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.The present inventors have completed the present invention by developing a low-cost anion conductive electrolyte membrane applicable to both energy storage devices and water treatment devices.
따라서, 본 발명의 목적은 방향족 탄화수소계 고분자를 이용한 전해질 막으로 열적 안정성, 기계적 안정성 및 화학적 안정성이 우수하면서도 기존에 상용화된 음이온교환막과 동등이상의 음이온전도성을 유지할 수 있는 음이온 전도성 고분자 공중합체를 포함하는 음이온전도성 전해질막을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an anionic conductive polymer copolymer which is excellent in thermal stability, mechanical stability and chemical stability, and can maintain anion conductivity equal to or higher than that of a commercially available anion exchange membrane, Thereby providing an anionic conductive electrolyte membrane.
본 발명의 다른 목적 기존 탄화수소계 고분자의 브롬화 반응의 어려움을 극복함으로써, 방향족 탄화수소계 고분자를 기반으로 하면서도 브롬화 반응을 환경적으로 비교적 안정적이고 안전한 합성 경로를 통하거나, 아미노화 반응을 통해 음이온전도성 고분자공중합체를 포함하는 음이온전도성 전해질막을 높은 수율을 제조할 수 있는 음이온전도성 전해질막 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to overcome the difficulty of the bromination reaction of the existing hydrocarbon-based polymer, and it is possible to overcome the difficulty of the bromination reaction of the conventional hydrocarbon polymer by using an aromatic hydrocarbon-based polymer as a base but also by carrying out a bromination reaction through an environmentally comparatively stable and safe synthetic route, The present invention provides a method for producing an anionic conductive electrolyte membrane capable of producing a high yield of an anionic conductive electrolyte membrane containing a copolymer.
본 발명의 또 다른 목적은 연료전지 또는 수처리장치에 사용되는 기존에 상용화된 나피온막, 양이온교환막, 및 음이온교환막과 비교하여 2배 내지 10배 이상 저렴한 가격으로 제조가 가능한 음이온전도성 전해질막 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide an anion conductive electrolyte membrane which can be manufactured at a price two to ten times or more lower than that of a conventionally used Nafion membrane, a cation exchange membrane, and an anion exchange membrane used in a fuel cell or a water treatment apparatus, And a method for manufacturing the same.
본 발명의 또 다른 목적은 치수안정성은 물론 기계적, 열적 및 화학적 안정성이 우수하면서도 음이온전도성도 상용화된 막과 동등 이상의 수준을 유지하는 음이온전도성 교환막을 포함함으로써 구동시 안정성 또한 우수하여 시스템의 장기 안정성이 크게 개선될 수 있는 에너지저장장치 및 수처리장치를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide an anionic conductive exchange membrane which is excellent in mechanical stability, thermal stability and chemical stability as well as anion conductivity and which maintains a level equal to or higher than that of a commercially available anion conductive membrane, And an energy storage device and a water treatment device which can be greatly improved.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 상세한 설명의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 목적 역시 당연히 포함될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned objects, and although not explicitly mentioned, the object of the invention which can be recognized by a person skilled in the art from the description of the detailed description of the invention .
상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 먼저 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 음이온 전도성 고분자 공중합체를 포함하는 음이온전도성 전해질막을 제공한다. In order to accomplish the above object of the present invention, the present invention provides an anionic conductive electrolyte membrane comprising an anionic conductive polymer represented by the following general formula (1).
[화학식 1][Chemical Formula 1]
상기 화학식 1에서, R1, R2, R3, R4, R1', R2', R4'는 서로 동일하거나 상이하고, -H, -F, -Cl, -Br, -I, 알킬기, 불소알킬기, -C6H5,-(C6H4)n-C6H5, -C6F5,-(C6F4)n-C6F5로 구성된 그룹에서 선택되며, R3'는 이미다졸(imidazolium)그룹, 구아니딘 하이드로클로라이드(guanidine hydrochloride)그룹 또는 포스포늄(phosphonium)그룹을 포함하는 음이온전도성그룹에서 선택되고, X1 및 X2는 -O-, -CO-, -SO2-에서 선택되며, n은 함량%를 표시하는 것으로 0과 1 사이의 실수이다.In
바람직한 실시예에 있어서, 상기 음이온 전도성 고분자 공중합체에서, R3'의 반복 단위는 1내지 99 몰 %이다. In a preferred embodiment, in the anionic conductive polymer copolymer, the repeating unit of R 3 'is 1 to 99 mol%.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 이미다졸(imidazolium)그룹, 구아니딘 하이드로클로라이드(guanidine hydrochloride)그룹 또는 포스포늄(phosphonium)그룹은 -H, -(CH3)n, -(C6H5)n, -F, -(CF3)n, -(C6F5)n, -Cl, -(CCl3)n, -(C6Cl5)n, -Br, -(CBr3)n, -(C6Br5)n중 하나 이상이 도입된다. In a preferred embodiment, the imidazole (imidazolium) groups, guanidine hydrochloride (guanidine hydrochloride) or phosphonium group (phosphonium) groups are -H, - (CH 3) n , - (C 6 H 5) n, - F, - (CF 3) n , - (C 6 F 5) n, -Cl, - (CCl 3) n, - (C 6 Cl 5) n, -Br, - (CBr 3) n, - (C 6 Br 5 ) n .
바람직한 실시예에 있어서, 무가습 상태에서 막의 두께는 5 ~ 500㎛이다. In a preferred embodiment, the film thickness in the no-humidified state is 5 to 500 mu m.
또한, 본 발명은 하기 화학식 2로 표시되는 방향족 탄화수소계 고분자를 브롬화 하는 브롬화단계;The present invention also relates to a process for producing a brominated aromatic hydrocarbon polymer, which comprises brominating an aromatic hydrocarbon polymer represented by the following formula (2)
[화학식 2](2)
상기 화학식 2에서, R1, R2, R3, R4, R1', R2', R3', R4'는 서로 동일하거나 상이하고, -H, -F, -Cl, -Br, -I, 알킬기, 불소알킬기, -C6H5,-(C6H4)n-C6H5,-C6F5,-(C6F4)n-C6F5로 구성된 그룹에서 선택되며, X1 및 X2는 -O-, -CO-, -SO2-에서 선택되고, n은 방향족 탄화수소계 고분자에 포함되는 중량%를 표시하는 것으로 0과 1 사이의 실수이다.In
상기 브롬화된 방향족 탄화수소계 고분자의 브롬화된 위치에 음이온전도성 그룹을 치환하는 제1치환단계; 상기 치환된 방향족 탄화수소계 고분자로 전구체 막을 형성하는 막형성단계; 및 상기 전구체 막을 수산화기로 치환하는 제2치환단계;를 포함하는 음이온 전도성 전해질막 제조방법을 제공한다.A first substitution step of substituting the anion-conducting group at the brominated position of the brominated aromatic hydrocarbon-based polymer; A film forming step of forming a precursor film with the substituted aromatic hydrocarbon-based polymer; And a second replacement step of replacing the precursor film with a hydroxyl group.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 브롬화단계는 상기 방향족 탄화수소계 고분자와 N-Bromosuccinimide (NBS) 또는 Bromine-solution을 반응시켜 수행된다. In a preferred embodiment, the bromination step is performed by reacting the aromatic hydrocarbon-based polymer with N-bromosuccinimide (NBS) or Bromine-solution.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1치환단계는 이미다졸(imidazolium)그룹, 구아니딘 하이드로클로라이드(guanidine hydrochloride)그룹 또는 포스포늄(phosphonium)그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질이 상기 방향족 탄화수소계 고분자의 브롬과 치환되어 수행된다.In a preferred embodiment, the first substitution step is a step in which at least one substance selected from the group consisting of an imidazolium group, a guanidine hydrochloride group, and a phosphonium group is substituted with bromine of the aromatic hydrocarbon-based polymer .
바람직한 실시예에 있어서, 상기 막형성단계는 상기 제1치환단계에서 얻어진 음이온전도성그룹이 치환된 방향족 탄화수소계 고분자 용액을 평판에 캐스팅하는 단계; 상기 캐스팅 된 상태로 30℃ 내지 100℃의 온도에서 용매를 제거하여 전구체막을 얻는 1차건조단계; 및 상기 전구체막을 50℃ 내지 200℃의 온도조건 및 진공조건에서 처리하는 2차건조단계;를 포함하여 수행된다. In a preferred embodiment, the film forming step includes casting a solution of the aromatic hydrocarbon-based polymer substituted on the anionically conductive group obtained in the first substitution step on a flat plate; A primary drying step of removing the solvent at a temperature of 30 ° C to 100 ° C in the cast state to obtain a precursor film; And a secondary drying step of treating the precursor film under a temperature condition of 50 ° C to 200 ° C and a vacuum condition.
또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 음이온전도성 전해질막 또는 상술된 어느 하나의 제조방법으로 제조된 음이온전도성 전해질막을 포함하는 에너지 저장장치를 제공한다. The present invention also provides an energy storage device comprising any one of the above-described anionically conductive electrolyte membranes or an anionically conductive electrolyte membrane produced by any one of the above-described production methods.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 에너지 저장장치는 레독스 흐름전지, 직접붕소수소화물연료전지(direct borohydride fuel cell, DBFC), 고체알칼라인 연료전지(solid alkaline fuel cell, SAFC)이다. In a preferred embodiment, the energy storage device is a redox flow cell, a direct borohydride fuel cell (DBFC), or a solid alkaline fuel cell (SAFC).
또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 음이온전도성 전해질막 또는 상술된 어느 하나의 제조방법으로 제조된 음이온전도성 전해질막을 포함하는 수처리장치를 제공한다. The present invention also provides a water treatment apparatus comprising an anionic conductive electrolyte membrane described above or an anionic conductive electrolyte membrane produced by any one of the above-described manufacturing methods.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 갖는다.The present invention has the following excellent effects.
먼저, 본 발명의 음이온 전도성 고분자 공중합체를 포함하는 음이온전도성 전해질막에 의하면 방향족 탄화수소계 고분자를 이용한 전해질 막으로 열적 안정성, 기계적 안정성 및 화학적 안정성이 우수하면서도 기존에 상용화된 음이온교환막과 동등이상의 음이온전도성을 유지할 수 있다.First, according to the anionic conductive electrolyte membrane including the anionic conductive polymer of the present invention, an electrolyte membrane using an aromatic hydrocarbon-based polymer is excellent in thermal stability, mechanical stability, and chemical stability, and is superior in anion conductivity Lt; / RTI >
또한, 본 발명의 음이온전도성 전해질막 제조방법에 의하면 기존 탄화수소계 고분자의 브롬화 반응의 어려움을 극복함으로써, 방향족 탄화수소계 고분자를 기반으로 하면서도 브롬화 반응을 환경적으로 비교적 안정적이고 안전한 합성 경로를 통하거나, 아미노화 반응을 통해 음이온전도성 고분자공중합체를 포함하는 음이온전도성 전해질막을 높은 수율을 제조할 수 있다.The method for producing an anion conductive electrolyte membrane of the present invention overcomes the difficulty of bromination reaction of conventional hydrocarbon polymers, thereby enabling a bromination reaction to be carried out through an environmentally comparatively stable and safe synthesis route based on an aromatic hydrocarbon polymer, Through the amination reaction, an anionic conductive electrolyte membrane containing an anionic conductive polymer copolymer can be produced at a high yield.
또한, 본 발명의 음이온전도성 전해질막 및 그 제조방법에 의하면 연료전지 또는 수처리장치에 사용되는 기존에 상용화된 나피온막, 양이온교환막, 및 음이온교환막과 비교하여 2배 내지 10배 이상 저렴한 가격으로 제조가 가능하다.Further, according to the anionically conductive electrolyte membrane and the method for producing the same of the present invention, it is possible to manufacture the anion conductive electrolyte membrane at an affordable price two to ten times that of the conventionally used Nafion membrane, cation exchange membrane, and anion exchange membrane used in a fuel cell or a water treatment apparatus Is possible.
또한, 본 발명의 에너지저장장치 및 수처리장치는 치수안정성은 물론 기계적, 열적 및 화학적 안정성이 우수하면서도 음이온전도성도 상용화된 막과 동등 이상의 수준을 유지하는 음이온전도성 교환막을 포함함으로써 구동시 안정성 또한 우수하여 시스템의 장기 안정성이 크게 개선될 수 있다. In addition, since the energy storage device and the water treatment device of the present invention include an anion conductive exchange membrane which is superior in mechanical stability, thermal stability, and chemical stability as well as anion conductivity, The long-term stability of the system can be greatly improved.
본 발명의 이러한 기술적 효과들은 이상에서 언급한 범위만으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 실시를 위한 구체적 내용의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 효과 역시 당연히 포함된다.These technical advantages of the present invention are not limited to the above-mentioned technical scope, and even if not explicitly mentioned, the effect of the invention which can be recognized by a person skilled in the art from the description of the concrete contents for carrying out the invention Of course.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 음이온 전도성 고분자 공중합체를 포함하는 음이온전도성 전해질막을 제조하기 위한 반응과정도이다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1에 도시된 반응과정도가 진행되는 과정에 대한 실제사진이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 음이온 전도성 고분자 공중합체를 포함하는 음이온전도성 전해질막을 제조하기 위한 반응과정도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제조방법에서 B-PPO 합성을 확인하기 위한 1HNMR분석 결과그래프이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제조방법에서 BIM-PPO의 합성을 확인하기 FT-IR 분석 결과그래프이다.
도 6은 도 3에서 얻어진 음이온전도성 전해질막의 유리전이온도 측정 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing the reaction and the degree of preparation of an anionic conductive electrolyte membrane containing an anionic conductive polymer according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 2A to 2C are actual photographs of the reaction and degree of progression shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a graph showing the reaction and the degree of the anionic conductive electrolyte membrane containing an anionic conductive polymer according to another embodiment of the present invention.
4 is a graph of 1 HNMR analysis results for confirming the synthesis of B-PPO in the production method according to the preferred embodiment of the present invention.
5 is a graph showing FT-IR analysis results confirming the synthesis of BIM-PPO in the production method according to the preferred embodiment of the present invention.
6 is a graph showing the glass transition temperature of the anionic conductive electrolyte membrane obtained in FIG.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 갖는 통상의 의미와 본 발명의 명세서 전반에 걸쳐 기재된 내용을 토대로 해석되어야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. Also, in certain cases, there may be a term selected arbitrarily by the applicant, in which case the meaning thereof will be described in detail in the description of the corresponding invention. Accordingly, the terms used in the present invention should not be construed to be mere terms, but should be interpreted based on the ordinary meanings of the terms and contents described throughout the specification of the present invention.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical structure of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and preferred embodiments.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Like reference numerals used to describe the present invention throughout the specification denote like elements.
본 발명의 기술적 특징은 방향족 탄화수소계 고분자 공중합체에 음이온전도성그룹을 도입하여 형성된 음이온전도성 고분자 공중합체를 포함함으로써 적정 수준 이상의 음이온전도성을 확보하면서도 기계적, 열적 및 화학적 안정성이 향상된 음이온전도성 전해질막 및 그 제조방법에 있다.Technical features of the present invention include an anionic conductive electrolyte membrane having improved mechanical, thermal and chemical stability while ensuring an anion conductivity of an appropriate level or higher by including an anionic conductive polymer copolymer formed by introducing an anionic conductive group into an aromatic hydrocarbon-based polymer copolymer, and Manufacturing method.
즉, 본 발명의 경우 방향족 탄화수소계 고분자 공중합체에 음이온전도성 그룹을 도입하기 위해 먼저, 방향족 탄화수소계 고분자 공중합체를 브롬화 또는 아미노화한 치환체를 형성하여 브롬화위치 또는 아미노화 위치에 음이온전도성 그룹을 도입하는 방식으로 음이온전도성 전해질막을 형성함으로써, 치환체의 치환도를 제어하여 음이온전도성그룹의 함량을 제어하여 전체 음이온전도성 전해질막의 음이온전도도를 제어할 수 있기 때문이다. That is, in the case of the present invention, in order to introduce an anion-conductive group into the aromatic hydrocarbon-based polymer copolymer, a substituent formed by brominating or aminating an aromatic hydrocarbon-based polymer copolymer is first formed to introduce an anion-conducting group into a bromination site or an amination site This is because the anion conductivity of the entire anion conductive electrolyte membrane can be controlled by controlling the substitution degree of the substituent to control the content of the anion conductive group by forming the anion conductive electrolyte membrane in such a manner that the anion-
또한 기존에는 탄화수소계 고분자의 브롬화 반응이 브롬가스를 사용하여 합성 과정에서 어려움이 있었으나, 본 발명에서는 브롬화 반응을 환경적으로 비교적 안정적이고 안전할 뿐만 아니라 수율 또한 높은 방법을 제공할 수 있다. In addition, conventionally, the bromination reaction of the hydrocarbon-based polymer is difficult in the synthesis process using bromine gas. However, the present invention can provide a method that is relatively stable and safe as well as yielded in a relatively environmentally friendly manner.
따라서, 본 발명의 음이온전도성 전해질막에 포함되는 음이온 전도성 고분자 공중합체는 하기 화학식 1로 표시될 수 있다. Accordingly, the anionic conductive polymer included in the anionically conductive electrolyte membrane of the present invention may be represented by the following general formula (1).
[화학식 1][Chemical Formula 1]
상기 화학식 1에서, R1, R2, R3, R4, R1', R2', R4'는 서로 동일하거나 상이하고, -H, -F, -Cl, -Br, -I, 알킬기, 불소알킬기, -C6H5,-(C6H4)n-C6H5,-C6F5,-(C6F4)n-C6F5로 구성된 그룹에서 선택되며, R3'는 이미다졸(imidazolium)그룹, 구아니딘 하이드로클로라이드(guanidine hydrochloride)그룹 또는 포스포늄(phosphonium)그룹을 포함하는 음이온전도성그룹에서 선택되고, X1 및 X2는 -O-, -CO-, -SO2-에서 선택되며, n은 함량%를 표시하는 것으로 0과 1 사이의 실수이다. 참고로 R1, R2, R3, R4, R1', R2', R4' 중 어느 하나에 선택되도록 나열된 작용기에 사용된 n은 화학식 1에서 공중합되는 각 고분자의 함량%를 나타내기 위한 n, 1-n과는 상이한 것으로 공지된 바와 같이 0보다 큰 정수이다. In
여기서, 음이온전도성 그룹인 이미다졸(imidazolium)그룹, 구아니딘 하이드로클로라이드(guanidine hydrochloride)그룹 또는 포스포늄(phosphonium)그룹은 -H, -(CH3)n, -(C6H5)n, -F, -(CF3)n, -(C6F5)n, -Cl, -(CCl3)n, -(C6Cl5)n, -Br, -(CBr3)n, -(C6Br5)n중 하나 이상이 도입될 수 있다. 상기 작용기에 사용된 n은 0보다 큰 정수이다.Herein, the anion conductive group imidazolium group, guanidine hydrochloride group or phosphonium group is -H, - (CH 3 ) n , - (C 6 H 5 ) n , -F , - (CF 3) n, - (C 6 F 5) n, -Cl, - (CCl 3) n, - (C 6 Cl 5) n, -Br, - (CBr 3) n, - (C 6 Br 5 ) n may be introduced. The n used in the functional group is an integer greater than zero.
한편, 음이온 전도성 고분자 공중합체에서, R3'의 반복 단위는 1 몰% 내지 99 몰 %일 수 있는데, 이와 같이 R3'에 도입되는 음이온 전도성 그룹의 함량에 따라 화학식 1로부터 얻어지는 음이온 전도성 고분자 공중합체 및 이를 포함하는 음이온전도성 전해질막의 기계적물성, 열적안정성, 화학적안정성은 물론 음이온전도도 등의 물성이 달라질 수 있다. 즉 음이온 전도성 그룹의 치환도가 높아지면 친수성이 커져서 음이온 전도성은 커지지만 기계적물성이 나빠질 수 있기 때문이다. 그런데, 본 발명의 화학식 1에서 음이온 전도성 그룹은 상술된 바와 같이 브롬화 친환체 또는 아미노화 치환체를 치환시켜 도입되는 것이므로, 화학식 1에서 음이온 전도성 그룹의 치환량(1-n)및 도입되는 음이온전도성그룹의 종류를 통해 제어할 수 있다. On the other hand, in the negative ion-conducting polymer copolymer, R 3 'in the repeating units may be a 1 mol% to 99 mol%, thus R 3' is obtained from the formula (I) according to the anion content of the conductive group is introduced into the negative ion-conducting polymer Aerial Physical properties such as mechanical properties, thermal stability, chemical stability, and anion conductivity of the anion-conductive electrolyte membrane containing the polymer and the anion-conductive electrolyte membrane may vary. That is, when the degree of substitution of the anionic conductive group is increased, the hydrophilic property is increased and the anionic conductivity is increased, but the mechanical properties may be deteriorated. Since the anion-conducting group in the formula (1) of the present invention is introduced by substituting the brominated green or aminated substituent as described above, the substitution amount (1-n) of the anion-conducting group in the formula You can control through the type.
이러한 특성을 갖는 본 발명의 음이온전도성 전해질막은 무가습 상태에서 막의 두께는 5 ~ 500㎛일 수 있다. The anionically conductive electrolyte membrane of the present invention having such characteristics may have a thickness of 5 to 500 mu m in a non-humidified state.
다음으로, 본 발명의 음이온전도성 전해질막 제조방법은 치환체가 브롬화 치환체 인지 아미노화 치환체인지에 따라 전구체 막 형성단계와 음이온 전도성그룹 치환단계의 순서가 상이해 진다. Next, in the method for producing an anionic conductive electrolyte membrane of the present invention, the order of the precursor film forming step and the anion conductive group replacing step is different, as the substituent is a brominated substituent or an aminated substituent.
먼저, 브롬화치환체를 사용하는 음이온전도성 전해질막 제조방법은 화학식 2로 표시되는 방향족 탄화수소계 고분자를 브롬화 하는 브롬화단계;First, a method for producing an anion-conductive electrolyte membrane using a brominated substituent comprises: a step of brominating an aromatic hydrocarbon-based polymer represented by
[화학식 2](2)
상기 화학식 2에서, R1, R2, R3, R4, R1', R2', R3', R4'는 서로 동일하거나 상이하고, -H, -F, -Cl, -Br, -I, 알킬기, 불소알킬기, -C6H5,-(C6H4)n-C6H5,-C6F5,-(C6F4)n-C6F5로 구성된 그룹에서 선택되며, X1 및 X2는 -O-, -CO-, -SO2-에서 선택되고, n은 방향족 탄화수소계 고분자에 포함되는 중량%를 표시하는 것으로 0과 1 사이의 실수이다.In
브롬화된 방향족 탄화수소계 고분자의 브롬화된 위치에 음이온전도성 그룹을 치환하는 제1치환단계; 치환된 방향족 탄화수소계 고분자로 전구체 막을 형성하는 막형성단계; 및 전구체 막을 수산화기로 치환하는 제2치환단계;를 포함한다. A first substituting step of substituting the anion conducting group at the brominated position of the brominated aromatic hydrocarbon polymer; A film forming step of forming a precursor film with a substituted aromatic hydrocarbon polymer; And a second replacement step of replacing the precursor film with a hydroxyl group.
여기서, 브롬화단계는 방향족 탄화수소계 고분자와 브롬이 포함된 화합물을 반응시켜 수행될 수 있는데, 예를 들어 N-Bromosuccinimide (NBS) 또는 Bromine-solution을 반응시켜 수행될 수 있다. Here, the bromination step may be performed by reacting an aromatic hydrocarbon-based polymer with a compound containing bromine, for example, by reacting N-bromosuccinimide (NBS) or Bromine-solution.
제1치환단계는 이미다졸(imidazolium)그룹, 구아니딘 하이드로클로라이드(guanidine hydrochloride)그룹 또는 포스포늄(phosphonium)그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질이 브롬화된 방향족 탄화수소계 고분자의 브롬과 치환되어 수행될 수 있다. The first substitution step may be carried out by replacing one or more materials selected from the group consisting of an imidazolium group, a guanidine hydrochloride group and a phosphonium group with bromine of a brominated aromatic hydrocarbon-based polymer.
막형성단계는 제1치환단계에서 얻어진 음이온전도성그룹이 치환된 방향족 탄화수소계 고분자 용액을 평판에 캐스팅하는 단계; 캐스팅 된 상태로 30℃ 내지 100℃의 온도에서 용매를 제거하여 전구체막을 얻는 1차건조단계; 및 전구체막을 50℃ 내지 200℃의 온도조건 및 진공조건에서 처리하는 2차건조단계;를 포함하여 수행될 수 있다. 캐스팅시 사용되는 평판은 평평한 표면을 갖는 판상이기만 하면 제한되지 않지만 유리판일 수 있다.Casting the aromatic hydrocarbon polymer solution substituted on the anion conductive group obtained in the first substitution step on a flat plate; A primary drying step of removing the solvent at a temperature of 30 DEG C to 100 DEG C in a cast state to obtain a precursor film; And a secondary drying step of treating the precursor film at a temperature condition of 50 ° C to 200 ° C and a vacuum condition. The plate used for casting is not limited as long as it is a plate having a flat surface, but it may be a glass plate.
또한, 아미노화치환체를 사용하는 음이온전도성 전해질막 제조방법은 상기 화학식 2로 표시되는 방향족 탄화수소계 고분자로 전구체 막을 형성하는 막형성단계; 전구체 막을 형성한 방향족 탄화수소계 고분자를 아미노화 하는 아미노화단계; 및 아미노화된 전구체 막을 염화기로 치환하는 치환단계;를 포함한다.Also, a method for preparing an anionic conductive electrolyte membrane using an aminated substituent includes a film forming step of forming a precursor film with an aromatic hydrocarbon-based polymer represented by
여기서, 막형성단계는 방향족 탄화수소계 고분자를 용해시켜 제조된 용액을 평판에 캐스팅하는 단계; 및 캐스팅된 상태로 건조하는 단계;를 포함하여 수행되는데, 캐스팅시 사용되는 평판은 평평한 표면을 갖는 판상이기만 하면 제한되지 않지만 유리판일 수 있다.Here, the film forming step includes casting a solution prepared by dissolving an aromatic hydrocarbon-based polymer on a flat plate; And drying in a cast state. The plate used in casting is not limited as long as it is a plate having a flat surface, but it may be a glass plate.
아미노화단계는 전구체 막을 트리메틸아민(Trimethylamine)용액과 반응시켜 아미노화하면서 음이온전도성그룹이 도입될 수 있다. The amination step may involve introducing the anionic conductive group while reacting the precursor membrane with a solution of trimethylamine to amidize it.
치환단계는 아미노화된 전구체막에 염산용액이나 염화염 용액을 처리하여 수행될 수 있다. The substitution step can be performed by treating the aminated precursor membrane with a hydrochloric acid solution or a hydrochloric acid solution.
이와 같이 형성된 음이온전도성 전해질 막은 고분자 전해질 막의 물성인 이온전도도, 투과도, 화학적/열적/기계적/치수/물리적 안정성 측면에서 기존의 나피온계열, 케톤계열 (sPEEK, sPEK), 술폰계열 (sPAES, sPAEES), 이미드 계열 (sPI)의 막과 비교하면 본 발명의 고분자 전해질 막의 물성이 동등 또는 우수할 뿐만 아니라, 제조단가가 2~10 배 정도 낮은 초저가형으로 경제성이 매우 우수하다. 또한, 황산 용액중에서 장기 화학적 안정성 또한 매우 우수하여 장기 안정성이 크게 개선될 수 있다. The anion conductive electrolyte membranes thus formed are classified into the Nafion series, the ketone series (sPEEK, sPEK), the sulphone series (sPAES, sPAEES), and the sulphonic series (sPAES, sPAEES) in terms of physical properties such as ionic conductivity, permeability, chemical / thermal / mechanical / , Imide series (sPI), the physical properties of the polymer electrolyte membrane of the present invention are not only equal to or better than those of the polymer electrolyte membrane of the present invention, but also are extremely low in cost, with a manufacturing cost of 2 to 10 times lower. In addition, the long-term chemical stability in the sulfuric acid solution is also very excellent, and the long-term stability can be greatly improved.
다음으로, 본 발명의 음이온전도성 전해질 막을 포함하는 에너지 저장장치 는 구동시 음이온전도성은 물론 안정성 또한 우수하여 셀 성능 면에서도 향상된 효과를 나타낼 수 있으므로 시스템의 장기 안정성이 크게 개선될 수 있다. Next, the energy storage device including the anionically conductive electrolyte membrane of the present invention can exhibit an improved effect in terms of cell performance, as well as an anion conductivity as well as an excellent stability, so that the long-term stability of the system can be greatly improved.
또한, 본 발명의 음이온전도성 전해질 막을 포함하는 수처리장치는 음이온전도성은 물론 기계적, 화학적, 열적 안정성이 우수하므로 구동시 안정성 또한 우수하여 시스템의 장기 안정성이 크게 개선될 수 있다. In addition, the water treatment apparatus including the anionically conductive electrolyte membrane of the present invention is excellent in mechanical, chemical, and thermal stability as well as anion conductivity, and is thus excellent in stability during driving, and the long-term stability of the system can be greatly improved.
실시예 1Example 1
도 1에 도시된 반응식 및 도 2a 내지 도 2c에 따라 다음과 같이 브롬화치환체를 이용하여 음이온 전도성 고분자 공중합체를 포함하는 음이온전도성 전해질막1(M1, BIM-PPO)을 제조하였다.Anionic conductive electrolyte membrane 1 (M1, BIM-PPO) containing an anion conductive polymer was prepared according to the reaction scheme shown in FIG. 1 and the brominated substituents according to FIGS. 2A to 2C as follows.
1. 방향족 탄화수소계 고분자를 브롬화 하는 브롬화단계1. Bromination step of brominating an aromatic hydrocarbon-based polymer
① 용매인 Chlorobenzene 100cc에 용질인 PPO (polyphenylene oxide) 12g를 20분 동안 3구 반응기에서 용해한 후, N-bromosuccinimide(NBS) 9.8g과 AIBN 0.5g을 넣고 교반한다. 이때, 반응기내 교반 속도는 최대한 빠르게 하여, 반응시간 3.5시간 동안 진행한다. 7시간 경과 후, 반응기의 온도를 140℃에서 3시간 이상 유지해준다. 반응물을 비커에 넣은 상태에서 ice water에 20분 동안 넣고 교반한다. ① Dissolve 12 g of PPO (polyphenylene oxide) as a solute in 100 cc of chlorobenzene as a solvent in a three-necked reactor for 20 minutes, add 9.8 g of N-bromosuccinimide (NBS) and 0.5 g of AIBN and stir. At this time, the stirring speed in the reactor is maximized to proceed for 3.5 hours. After 7 hours, the temperature of the reactor is maintained at 140 占 폚 for 3 hours or more. Add the reaction mixture to ice water for 20 minutes while stirring in a beaker.
② 그 후에 이소프로필알콜(IPA) 500cc에 침전 후 필터링을 진행한다. IPA 세척 과정을 한 번 더 진행하고 나서, 반응물을 Chloroform 120cc에 침전 시켜서 재분해 시킨다. 상기 용액을 IPA에서 침전 과정과 필터링을 통해, 브롬화된 방향족 탄화수소계 고분자 즉 B-PPO(또는 BPPO)를 얻는다. 얻어진 B-PPO는 진공상태하의 55℃의 오븐에서 하루동안 건조 시킨다.② After that, precipitate in 500cc of isopropyl alcohol (IPA) and proceed with filtering. The IPA washing process is carried out once more and then the reaction is resolved by precipitating in 120 cc of Chloroform. The solution is subjected to IPA precipitation and filtering to obtain a brominated aromatic hydrocarbon polymer, i.e., B-PPO (or BPPO). The B-PPO obtained is dried in an oven at 55 캜 under vacuum for one day.
2. 브롬화된 방향족 탄화수소계 고분자의 브롬화된 위치에 음이온전도성 그룹을 치환하는 제1치환단계2. A first substitution step of substituting an anion-conducting group at the brominated position of the brominated aromatic hydrocarbon-based polymer
③ 3g B-PPO, 17g NMP, 0.42cc 이미다졸을 40℃ hot-plate에서 12시간 동안 교반한다. (3) 3 g of B-PPO, 17 g of NMP and 0.42 cc of imidazole are stirred in a hot-plate at 40 ° C for 12 hours.
3. 치환된 방향족 탄화수소계 고분자로 전구체 막을 형성하는 막형성단계3. Film formation step of forming precursor film with substituted aromatic hydrocarbon polymer
④제조된 용액을 유리판 위에 캐스팅을 통해 80℃ 오븐에서 12시간동안 건조하면서 용매를 제거하고, 이후 100℃ 의 진공오븐에서 24시간 동안 건조한다. (4) The prepared solution is cast on a glass plate through casting in an oven at 80 ° C for 12 hours to remove the solvent, and then dried in a vacuum oven at 100 ° C for 24 hours.
4. 전구체 막을 수산화기로 치환하는 제2치환단계4. A second displacement step of replacing the precursor membrane with a hydroxyl group
⑤ 제조된 전구체 막을 1mmol NaOH 수용액에 24시간동안 넣어두면, 최종적으로 음이온전도성 전해질막1(M1, BIM-PPO)을 얻을 수 있다.(5) If the prepared precursor membrane is put in 1 mmol of aqueous NaOH solution for 24 hours, anion conductive electrolyte membrane 1 (M1, BIM-PPO) can finally be obtained.
실시예 2Example 2
아미노화 치환체를 이용하여 다음과 같이 음이온 전도성 고분자 공중합체를 포함하는 음이온전도성 전해질막2(M2)을 제조하였다.Anionic conductive electrolyte membrane 2 (M2) containing the anionic conductive polymer copolymer was prepared as follows using an aminated substituent.
1. 방향족 탄화수소계 고분자로 전구체 막을 형성하는 막형성단계1. A film forming step of forming a precursor film with an aromatic hydrocarbon polymer
250ml 3구 둥근 바닥 반응기에 방향족 탄화수소계 고분자인 PPO 20g과 100ml Chloroform을 넣고 반응시킨다. 여기에 13.5g anhydrous aluminum chloride을 넣고 강하게 교반시켜 완전 용해시킨다. 이 용액에 1,3-bis-chlroacetyl을 소량씩 넣어주고, 40℃에서 4시간 교반한다. 만들어진 용액은 에탄올을 이용해 필터링 하고 마지막으로 60℃에서 48시간동안 건조시켜준다. 건조된 물질을 DMF로 15wt% 용액을 만들고, 유리판 위에 캐스팅 한다. 24시간동안 실온에서 건조하고 24시간동안 60℃에서 건조하여 전구체 막을 형성한다. 20 g of PPO (aromatic hydrocarbon polymer) and 100 ml of chloroform are added to a 250 ml three-necked round bottom reactor. Add 13.5 g of anhydrous aluminum chloride and stir thoroughly to dissolve completely. To this solution, a small amount of 1,3-bis-chlroacetyl is added, followed by stirring at 40 ° C for 4 hours. The resulting solution is filtered using ethanol and finally dried at 60 ° C for 48 hours. A 15 wt% solution of the dried material is made with DMF and cast on a glass plate. Dried at room temperature for 24 hours and dried at 60 DEG C for 24 hours to form a precursor film.
2. 전구체 막을 형성한 방향족 탄화수소계 고분자를 아미노화 하는 아미노화단계2. Amination step of amination of aromatic hydrocarbon polymer forming precursor film
제조된 전구체 막은 Trimethylamine aqueous solution에서 quaternary amination을 진행해준다. The prepared precursor membrane proceeds quaternary amination in a trimethylamine aqueous solution.
3. 아미노화된 전구체 막을 염화기로 치환하는 치환단계3. Substitution step of replacing the aminated precursor membrane with a chlorinating group
이후 전구체 막을 0.5M HCl과 1M NaCl로 씻어 chloride form을 치환하여 음이온전도성 전해질막2(M2)을 제조하였다.The anion conducting electrolyte membrane 2 (M2) was prepared by washing the precursor membrane with 0.5 M HCl and 1 M NaCl to replace the chloride form.
실시예 3Example 3
브롬화치환체를 이용하여 음이온 전도성 고분자 공중합체를 포함하는 음이온전도성 전해질막3(M3, BIM-PPO)을 제조하였다.Anion conductive electrolyte membrane 3 (M3, BIM-PPO) containing an anion conductive polymer was prepared using a brominated substituent.
1. 방향족 탄화수소계 고분자를 브롬화 하는 브롬화단계1. Bromination step of brominating an aromatic hydrocarbon-based polymer
250ml 3구 둥근 바닥 반응기에 방향족 탄화수소계 고분자인 PPO 6.81g과 Chlorobenzene 27cc를 넣고 반응온도를 125℃에서 반응시켜주고, 용해 확인 후 Bromine solution 0.382cc를 넣어준다. 그리고 12시간동안 반응을 가해준다. 6.81 g of PPO (aromatic hydrocarbon polymer) and 27 cc of chlorobenzene are added to a 250 ml 3-necked round bottom reactor. The reaction temperature is 125 ° C and 0.382 cc of Bromine solution is added. Then, the reaction is applied for 12 hours.
2. 브롬화된 방향족 탄화수소계 고분자의 브롬화된 위치에 음이온전도성 그룹을 치환하는 제1치환단계2. A first substitution step of substituting an anion-conducting group at the brominated position of the brominated aromatic hydrocarbon-based polymer
3g B-PPO, 17g NMP, 0.42cc Phosphonium 3가지를 혼합해서 40℃ hot-plate에서 12시간 동안 혼합한다. 3 g B-PPO, 17 g NMP and 0.42 cc Phosphonium are mixed and mixed in a hot-plate at 40 ° C for 12 hours.
3. 치환된 방향족 탄화수소계 고분자로 전구체 막을 형성하는 막형성단계3. Film formation step of forming precursor film with substituted aromatic hydrocarbon polymer
만들어진 솔루션을 유리판 위에 캐스팅을 통해 80℃ 오븐에서 12시간동안 넣어서 용매를 날리고, 후에 100℃ 의 진공오븐에서 24시간 동안 건조 시켜준다. The resulting solution was cast on a glass plate through casting in an oven at 80 ° C for 12 hours to remove the solvent and then dried in a vacuum oven at 100 ° C for 24 hours.
4. 전구체 막을 수산화기로 치환하는 제2치환단계4. A second displacement step of replacing the precursor membrane with a hydroxyl group
제조된 전구체 막을 마지막으로 1mmol NaOH 수용액에 24시간동안 넣어두면, 최종적으로 음이온전도성 전해질막(M3)을 형성하였다. Finally, the prepared precursor membrane was placed in a 1 mmol aqueous NaOH solution for 24 hours to finally form an anionic conductive electrolyte membrane (M3).
실시예 4Example 4
도 3에 도시된 반응식에 따라, 브롬화치환체를 이용하여 음이온 전도성 고분자 공중합체를 포함하는 음이온전도성 전해질막4(BIM-Modified-PPO)를 제조하였다. 여기서, 최종적으로 얻어지는 음이온전도성 전해질막4의 내구성 및 화학적 물성 등을 높이기 위해 방향족 탄화수소계 고분자인 PPO에 페놀기를 치환하는 변형이 이루어진 Modified-BPPO가 브롬화치환체로 사용되었음을 알 수 있다.According to the reaction scheme shown in FIG. 3, an anionic conductive electrolyte membrane 4 (BIM-Modified-PPO) containing an anion conductive polymer was prepared using a brominated substituent. Here, in order to improve the durability and chemical properties of the finally obtained anion-conducting electrolyte membrane 4, Modified-BPPO having a phenol group-substituted modified PPO, which is an aromatic hydrocarbon-based polymer, is used as a brominated substituent.
1. 방향족 탄화수소계 고분자를 브롬화 하는 브롬화단계1. Bromination step of brominating an aromatic hydrocarbon-based polymer
0.041g CuCl, 0.031g TMEDA, Anhydrous magnesium sulfate 2g 를 35ml의 1,2-dichlorobenzene에 넣는다. 65℃ Oil bath에 넣고 stirrer을 이용해서 혼합시켜주고, Oxygen을 10분동안 버블링을 통해 혼합물이 녹색을 보일 때, dichlorobenzene(40ml)에 5g의 diphenylphenol을 20분 동안 천천히 녹여준다. Dark red 색을 보이면 24시간동안 반응을 가해준다. 필터링을 하고, 400ml의 메탄올을 넣어주고, 수차례 섞은 후, 필터링을 통해 폴리머를 얻는다. 그후 40ml의 chloroform에 재분해하고, 메탄올 400 ml에 필터링한다. 얻어진 폴리머는 3g 정도이고, 진공오븐에서 80℃에서 24시간 건조를 한다. 얻어진 Modified-PPO 5g을 50ml CHCl3에 혼합시킨다. Chloroform 10ml에다가 bromine을 희석해서 8~10ml 정도를 혼합물에 30분에 걸쳐서 혼합시켜준다. Bromination 반응동안 Dark red 색을 유지한다. 반응기에서 생성되는 HBr을 제거하기 위해서 argon을 버블해주고, 상온에서 1시간동안 반응 후, 에탄올 800ml에 넣어서 mechanically stirrer로 반응을 해준다. 필터링 후, 진공오븐에서 건조 시켜준다. 0.041 g CuCl, 0.031 g TMEDA and 2 g Anhydrous magnesium sulfate are added to 35
2. 브롬화된 방향족 탄화수소계 고분자의 브롬화된 위치에 음이온전도성 그룹을 치환하는 제1치환단계2. A first substitution step of substituting an anion-conducting group at the brominated position of the brominated aromatic hydrocarbon-based polymer
3g Modified-BPPO, 17g NMP, 0.42cc 이미다졸을 40℃ hot-plate에서 12시간 동안 교반한다. 3g Modified-BPPO, 17g NMP and 0.42cc imidazole are stirred in a hot-plate at 40 占 폚 for 12 hours.
3. 치환된 방향족 탄화수소계 고분자로 전구체 막을 형성하는 막형성단계3. Film formation step of forming precursor film with substituted aromatic hydrocarbon polymer
제조된 용액을 유리판 위에 캐스팅을 통해 80℃ 오븐에서 12시간동안 건조하면서 용매를 제거하고, 이후 100℃ 의 진공오븐에서 24시간 동안 건조한다. The prepared solution is cast on a glass plate through casting in an oven at 80 ° C for 12 hours to remove the solvent, and then dried in a vacuum oven at 100 ° C for 24 hours.
4. 전구체 막을 수산화기로 치환하는 제2치환단계4. A second displacement step of replacing the precursor membrane with a hydroxyl group
제조된 전구체 막을 1mmol NaOH 수용액에 24시간동안 넣어두면, 최종적으로 음이온전도성 전해질막4(BIM- Modified-PPO)을 얻을 수 있다.When the prepared precursor film is placed in 1 mmol of aqueous NaOH solution for 24 hours, finally anion conductive electrolyte membrane 4 (BIM-Modified-PPO) can be obtained.
실험예 1Experimental Example 1
실시예 1에서 B-PPO 및 BIM-PPO의 합성을 확인하기 위해 1HNMR분석 및 FT-IR 분석을 수행하였고, 그 결과를 도 4 및 도 5에 도시하였다. 1 H NMR analysis and FT-IR analysis were performed to confirm the synthesis of B-PPO and BIM-PPO in Example 1, and the results are shown in FIG. 4 and FIG.
즉, 도 4의 결과는 B-PPO를 제조하고, DMSO-d6에 용해한 후, 500MHz NMR로 분석한 결과인데, -CH2Br 그룹의 특성 피크를 4,3ppm에서 확인할 수 있었고 이를 통해 브롬화 반응이 완벽히 진행되었음을 알 수 있었다. That is, the result of FIG. 4 shows that B-PPO was prepared and dissolved in DMSO-d6 and then analyzed by 500 MHz NMR. The characteristic peak of -CH 2 Br group was confirmed at 4,3 ppm, I was able to see that it was done perfectly.
또한, 도 5에 도시된 결과는 브롬화 막과 이미다졸 그룹이 도입된 막 즉 BIM-PPO의 FT-IR 분석 결과로서, 750cm-1 에서 새로운 peak을 확인할 수 있었고 이를 통해 이미다졸 그룹이 완벽히 도입된 것을 알 수 있었다. In addition, the results shown in FIG. 5 show FT-IR analysis results of a film in which a brominated film and imidazole group were introduced, that is, BIM-PPO, and a new peak was observed at 750 cm -1 . .
실험예 2Experimental Example 2
실시예 1 내지 3에서 제조된 음이온전도성 전해질막 M1 내지 M3에 대해 하기와 같은 방법으로 물성특성 평가를 진행하였고 그 결과를 표 1에 정리하였다.The properties of the anionically conductive electrolyte membranes M1 to M3 prepared in Examples 1 to 3 were evaluated in the following manner. The results are summarized in Table 1.
<IEC 측정><IEC measurement>
4㎝X4㎝ 크기로 막을 자른 후에, 1mole NaCl 용액에 24시간 동안 넣어둔다. 막은 0.5mole Na2SO4용액에 이틀 동안 담궈둔다. 막으로부터 떨어져 나간 Cl-이온을 AgNO3용액으로 적정하고, 이 때, 지시약은 K2Cr2O7을 사용한다. 상세 계산 방법은 아래 식을 이용하였다.After cutting the membrane to a size of 4 cm x 4 cm, place it in 1 mole NaCl solution for 24 hours. The membrane is immersed in 0.5 moles Na 2 SO 4 solution for two days. The Cl - ions separated from the film are titrated with AgNO 3 solution, and the indicator is K 2 Cr 2 O 7 . The detailed calculation method is as follows.
<이온전도도 측정> ≪ Measurement of ion conductivity &
이온 전도도는 Electrochemical Impedance Spectroscopy (IviumStat, IVIUM technologies)를 이용하여 측정하였다. 제조된 고분자 전해질 막을 증류수에 24시간 이상 함침시킨 후, 이온 전도도 측정 셀의 중앙에 위치하도록 하여 증류수로 채운 항온수조에서 막의 전기저항을 측정하였다. 주파수 범위는 1000Hz에서 1MHz였으며, 진폭은 0.01~0.5V를 이용하였다. 전기저항 값을 측정한 후 아래 식에 대입하여 전도도를 구한다.Ion conductivity was measured using Electrochemical Impedance Spectroscopy (IviumStat, IVIUM technologies). The prepared polymer electrolyte membrane was impregnated in distilled water for 24 hours or more, and placed in the center of the ion conductivity measuring cell, and the electrical resistance of the membrane was measured in a constant temperature water tank filled with distilled water. The frequency range was 1MHz at 1000Hz and the amplitude was 0.01 ~ 0.5V. After measuring the electrical resistance, calculate the conductivity by substituting the following equation.
<함수량 측정><Water content measurement>
제조된 고분자 전해질 막을 실온의 증류수에 24시간 이상 충분히 담군 후, 막의 질량을 측정한다. 측정된 막을 24시간 이상 진공 오븐에 넣고 진공 건조하여 수분을 완전히 제거한 후 질량을 다시 측정한다. 아래 식을 이용하여 함수율을 계산한다.The prepared polymer electrolyte membrane is fully immersed in distilled water at room temperature for 24 hours or more, and then the mass of the membrane is measured. The measured membrane is placed in a vacuum oven for 24 hours or longer and vacuum dried to completely remove water and then the mass is measured again. Calculate the water content using the following equation.
여기에서 (g)은 수분을 함유한 막의 질량, (g)는 진공 건조된 막의 질량이다.(G) is the mass of the film containing moisture, and (g) is the mass of the vacuum dried film.
<치수 변화율 측정> ≪ Measurement of dimensional change rate &
함습된 상태의 막과 건조된 상태의 막의 길이 잰 뒤 아래 식을 이용하여 치수안정성을 계산한다.Calculate the dimensional stability using the following equation after measuring the length of the film in the wet state and the film in the dry state.
여기에서 (g)은 수분을 함유한 막의 길이, (g)는 진공 건조된 막의 길이이다.(G) is the length of the film containing moisture, and (g) is the length of the vacuum dried film.
( %)Dimensional change rate
(%)
(meq./g)IEC
(meq./g)
표 1로부터 알 수 있듯이, 실시예1~4에서 얻어진 음이온전도성 전해질막의 화학구조와 IEC 변화에 따른 함수율, 치수변화율, 이온전도도를 상용막인 퓨미온과 비교한 결과 상응하는 수준의 수화 특성과 낮은 저항을 나타냈다. 이는 본 발명의 음이온전도성 전해질막이 상용 음이온 전도성 막(Fumion) 보다 화학적으로 이온 전도성이 용이하고 기계적 물성이 우수한 구조를 도입했기 때문인 것으로 판단한다.As can be seen from Table 1, the chemical structures of the anion conductive electrolyte membranes obtained in Examples 1 to 4 and the water content, dimensional change rate and ionic conductivity according to the IEC changes were compared with those of the conventional membrane, Resistance. This is because the anion conductive electrolyte membrane of the present invention is more easily chemically ion-conductive than the commercial anion conductive membrane (Fumion) and has a structure excellent in mechanical properties.
실험예 3Experimental Example 3
실시예 1 내지 3에서 제조된 음이온전도성 전해질막 M1 내지 M3에 대해 유리전이온도를 측정하고 그 결과를 표 2에 정리하였다.The glass transition temperatures of the anion conducting electrolyte membranes M1 to M3 prepared in Examples 1 to 3 were measured and the results are summarized in Table 2. [
(퓨미온)Commercial membrane
(Puomyion)
(M1)Example 1
(M1)
(M2)Example 2
(M2)
(M3)Example 3
(M3)
(M4)Example 4
(M4)
표 2로부터, 비교막인 퓨미온에 비해 실시예 1~4의 유리전이 온도가 상대적으로 높아 열적 안정성이 우수하다는 걸 알 수 있었다. 이는 주쇄구조상 페닐그룹이 많이 들어간 본원 발명의 화학 구조에서 비롯된 것으로 판단된다. 또한 비교예보다 IEC가 높아 이온 전도성 그룹간 상호작용에 의해 유리전이 온도의 상승이 유도된 것으로 판단된다. From Table 2, it can be seen that the glass transition temperatures of Examples 1 to 4 are relatively higher than those of the comparative film, so that the thermal stability is excellent. It is considered that this is due to the chemical structure of the present invention in which the phenyl group in the main chain structure is abundant. In addition, IEC was higher than that of the comparative example, suggesting that the increase of the glass transition temperature was induced by the interaction between the ion conductive groups.
실험예 4Experimental Example 4
실시예1에서 제조한 B-PPO와 M1(BIM-PPO)의 용해도 실험을 다양한 용매에 담지하여 확인하고 그 결과를 표 3에 나타내었다.The solubility experiments of B-PPO and M1 (BIM-PPO) prepared in Example 1 were carried on various solvents, and the results are shown in Table 3.
표 3으로부터, 브롬화단계의 막(B-PPO)은 상용 용매들에 대한 용해도가 높은 반면, 브롬화단계에서 이미다졸기를 치환한 막(BIM-PPO)의 상용 용매에 대한 용해도 시험 결과 최종 이미다졸 치환막의 용해 특성이 거의 나타나지 않아 내구성이 우수하다는 것을 간접적으로 확인해 볼 수 있었다.From Table 3, it can be seen that the solubility of the membrane (B-PPO) in the bromination step (B-PPO) to commercial solvents is higher than that of the imidazole group in the bromination step, The solubility characteristics of the substitution film hardly appeared and it was indirectly confirmed that the durability was excellent.
실험예 5Experimental Example 5
Differential Scanning Calorimeter(DSC) 측정을 위해서 실시예4에서 얻어진 BIM-Modified-PPO)를 13mg 준비하였다. 실험 조건은 -40℃~350℃까지 범위로 승온 온도는 10℃/min 하였다. 그 결과는 도 6에 도시하였다.13 mg of BIM-Modified-PPO obtained in Example 4 was prepared for differential scanning calorimeter (DSC) measurement. The experimental conditions were -40 ℃ ~ 350 ℃ and the temperature increase was 10 ℃ / min. The results are shown in Fig.
도 6으로부터 상용막과의 유리전이온도 비교를 위해 DSC를 측정한 결과 상용막인 퓨미온의 유리전이온도가 108도로 알려진 반면, 본원 발명의 음이온 전도성 물질의 유리전이온도는 약 240도 확인되어, 본원 발명의 음이온 전도성 물질의 열적 안정성이 우수한 것을 알 수 있다.From FIG. 6, DSC was measured for comparison of the glass transition temperature with the commercial film. As a result, the glass transition temperature of the commercial film, pumilon, was found to be 108 degrees, while the glass transition temperature of the anionic conductive material of the present invention was found to be about 240 degrees, It can be seen that the anionic conductive material of the present invention has excellent thermal stability.
상술된 실험결과들로부터, 본 발명의 음이온 전도성 전해질막이 열적 안전성, 기계적 안정성, 투과도, 막 형성 능력 등에서 기존의 상용화된 고분자 전해질 막과 동등 또는 그 이상의 수준을 유지할 수 있는 것을 알 수 있다. From the above-described experimental results, it can be seen that the anionic conductive electrolyte membrane of the present invention can maintain a level equal to or higher than that of the existing commercialized polymer electrolyte membrane in terms of thermal stability, mechanical stability, permeability, film forming ability, and the like.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, Various changes and modifications will be possible.
Claims (11)
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, R1, R2, R3, R4, R1', R2', R4'는 서로 동일하거나 상이하고, -H, -F, -Cl, -Br, -I, 알킬기, 불소알킬기, -C6H5,-(C6H4)n-C6H5,-C6F5,-(C6F4)n-C6F5로 구성된 그룹에서 선택되며, R3'는 이미다졸(imidazolium)그룹, 구아니딘 하이드로클로라이드(guanidine hydrochloride)그룹 또는 포스포늄(phosphonium)그룹을 포함하는 음이온전도성그룹에서 선택되고, X1 및 X2는 -O-, -CO-, -SO2-에서 선택되며, n은 함량%를 표시하는 것으로 0과 1 사이의 실수이다.
An anionic conductive electrolyte membrane comprising an anionic conductive polymer represented by the following formula (1)
[Chemical Formula 1]
In Formula 1, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 1 ', R 2 ' and R 4 'are the same or different from each other and represent -H, -F, -Cl, -Br, An alkyl group, a fluoroalkyl group, -C 6 H 5 , - (C 6 H 4 ) n -C 6 H 5 , -C 6 F 5 , - (C 6 F 4 ) n -C 6 F 5 , R 3 'is selected from an anionic conductive group comprising an imidazolium group, a guanidine hydrochloride group or a phosphonium group, X 1 and X 2 are selected from -O-, -CO- , -SO 2 -, and n is a real number between 0 and 1, representing the content in%.
상기 음이온 전도성 고분자 공중합체에서, R3'의 반복 단위는 1내지 99 몰 %인 것을 특징으로 하는 음이온전도성 전해질막.
The method according to claim 1,
In the anionic conductive polymer copolymer, the repeating unit of R 3 'is 1 to 99 mol%.
상기 이미다졸(imidazolium)그룹, 구아니딘 하이드로클로라이드(guanidine hydrochloride)그룹 또는 포스포늄(phosphonium)그룹은 -H, -(CH3)n, -(C6H5)n, -F, -(CF3)n, -(C6F5)n, -Cl, -(CCl3)n, -(C6Cl5)n, -Br, -(CBr3)n, -(C6Br5)n중 하나 이상이 도입된 것을 특징으로 하는 음이온전도성 전해질막.
The method according to claim 1,
The imidazole (imidazolium) groups, guanidine hydrochloride (guanidine hydrochloride) or phosphonium group (phosphonium) groups are -H, - (CH 3) n , - (C 6 H 5) n, -F, - (CF 3 ) n, - (C 6 F 5) n, -Cl, - (CCl 3) n, - (C 6 Cl 5) n, -Br, - (CBr 3) n, - (C 6 Br 5) n of Wherein at least one of the anion-conducting electrolyte membrane and the anion-conducting electrolyte membrane is introduced.
무가습 상태에서 막의 두께는 5 ~ 500㎛인 것을 특징으로 하는 음이온전도성 전해질막.
The method according to claim 1,
Wherein the membrane has a thickness of 5 to 500 占 퐉 in a non-humidified state.
[화학식 2]
상기 화학식 2에서, R1, R2, R3, R4, R1', R2', R3', R4'는 서로 동일하거나 상이하고, -H, -F, -Cl, -Br, -I, 알킬기, 불소알킬기, -C6H5,-(C6H4)n-C6H5,-C6F5,-(C6F4)n-C6F5로 구성된 그룹에서 선택되며, X1 및 X2는 -O-, -CO-, -SO2-에서 선택되고, n은 방향족 탄화수소계 고분자에 포함되는 중량%를 표시하는 것으로 0과 1 사이의 실수이다.
상기 브롬화된 방향족 탄화수소계 고분자의 브롬화된 위치에 음이온전도성 그룹을 치환하는 제1치환단계;
상기 치환된 방향족 탄화수소계 고분자로 전구체 막을 형성하는 막형성단계; 및
상기 전구체 막을 수산화기로 치환하는 제2치환단계;를 포함하는 음이온 전도성 전해질막 제조방법.
A step of brominating an aromatic hydrocarbon-based polymer represented by Formula 2 below;
(2)
In Formula 2, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 1 ', R 2 ', R 3 'and R 4 ' are the same as or different from each other and represent -H, -F, -Cl, -Br , -I, an alkyl group, a fluorine group, a -C 6 H 5, - consisting of (C 6 F 4) n -C 6 F 5 - (C 6 H 4) n -C 6 H 5, -C 6 F 5, X 1 and X 2 are selected from -O-, -CO-, and -SO 2 -, and n is a real number between 0 and 1, representing the weight percentage contained in the aromatic hydrocarbon-based polymer.
A first substitution step of substituting the anion-conducting group at the brominated position of the brominated aromatic hydrocarbon-based polymer;
A film forming step of forming a precursor film with the substituted aromatic hydrocarbon-based polymer; And
And a second replacement step of replacing the precursor film with a hydroxyl group.
상기 브롬화단계는 상기 방향족 탄화수소계 고분자와 N-Bromosuccinimide (NBS) 또는 Bromine-solution을 반응시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 음이온 전도성 전해질막 제조방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the bromination step is performed by reacting the aromatic hydrocarbon-based polymer with N-bromosuccinimide (NBS) or a bromine-solution.
상기 제1치환단계는 이미다졸(imidazolium)그룹, 구아니딘 하이드로클로라이드(guanidine hydrochloride)그룹 또는 포스포늄(phosphonium)그룹 중에서 선택된 하나 이상의 물질이 상기 방향족 탄화수소계 고분자의 브롬과 치환되어 수행되는 것을 특징으로 하는 음이온 전도성 전해질막 제조방법.6. The method of claim 5,
Wherein the first substitution step is carried out by replacing one or more substances selected from the group consisting of an imidazolium group, a guanidine hydrochloride group and a phosphonium group with bromine of the aromatic hydrocarbon-based polymer A method for producing an anionic conductive electrolyte membrane.
상기 막형성단계는 상기 제1치환단계에서 얻어진 음이온전도성그룹이 치환된 방향족 탄화수소계 고분자 용액을 평판에 캐스팅하는 단계; 상기 캐스팅 된 상태로 30℃ 내지 100℃의 온도에서 용매를 제거하여 전구체막을 얻는 1차건조단계; 및 상기 전구체막을 50℃ 내지 200℃의 온도조건 및 진공조건에서 처리하는 2차건조단계;를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 음이온 전도성 전해질막 제조방법.
6. The method of claim 5,
Casting the aromatic hydrocarbon-based polymer solution substituted with the anion conductive group obtained in the first substitution step on a flat plate; A primary drying step of removing the solvent at a temperature of 30 ° C to 100 ° C in the cast state to obtain a precursor film; And a secondary drying step of treating the precursor film under a temperature condition of 50 ° C to 200 ° C and a vacuum condition.
An energy storage device comprising an anionically conductive electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4 or an anionically conductive electrolyte membrane produced by the production method according to any one of claims 5 to 8.
상기 에너지 저장장치는 레독스 흐름전지, 직접붕소수소화물연료전지(direct borohydride fuel cell, DBFC), 고체알칼라인 연료전지(solid alkaline fuel cell, SAFC)인 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
10. The method of claim 9,
Wherein the energy storage device is a redox flow cell, a direct borohydride fuel cell (DBFC), or a solid alkaline fuel cell (SAFC).
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Legal Events
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---|---|---|---|
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A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
AMND | Amendment | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
AMND | Amendment | ||
X701 | Decision to grant (after re-examination) |