一种亲疏水刚性大体积共调节的阴离子交换膜及其制备方法
阅读说明：本技术 一种亲疏水刚性大体积共调节的阴离子交换膜及其制备方法 (Hydrophilic-hydrophobic rigid large-volume co-regulated anion exchange membrane and preparation method thereof ) 是由 张凤祥 马玲玲 李旅 张安然 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：一种亲疏水刚性大体积共调节的阴离子交换膜及其制备方法,属于燃料电池膜材料领域。以碱稳定较好的不含醚氧结构的无氧主链为聚合物主链,同时引入亲水的和疏水的大体积结构单元对聚合物进行修饰。亲疏水之间的极性差异能够增强微相分离程度,易于构造微相分离结构,形成连续贯通的离子传输通道。同时,刚性亲疏水大体积结构的引入可以降低链堆积密度,在膜中产生自由体积,从而降低离子传输阻力,提高离子传输速率。本发明制备方法简单,制备的阴离子交换膜在保证机械强度的情况下,由于较好的微相分离行为与较高的自由体积,使其具有较高的离子电导率与碱稳定性。(An anion exchange membrane with hydrophilic and hydrophobic rigidity and large volume co-regulation and a preparation method thereof belong to the field of fuel cell membrane materials. An oxygen-free main chain with good alkali stability and without an ether oxygen structure is taken as a polymer main chain, and hydrophilic and hydrophobic bulky structural units are introduced to modify the polymer. The polarity difference between the hydrophilic and hydrophobic phases can enhance the microphase separation degree, and a microphase separation structure is easy to construct to form a continuous through ion transmission channel. Meanwhile, the introduction of a rigid hydrophilic and hydrophobic large-volume structure can reduce the chain packing density and generate free volume in the membrane, thereby reducing the ion transmission resistance and improving the ion transmission rate. The preparation method is simple, and the prepared anion-exchange membrane has higher ionic conductivity and alkali stability due to better microphase separation behavior and higher free volume under the condition of ensuring mechanical strength.)
技术领域
本发明属于燃料电池膜材料领域，涉及一种亲疏水刚性大体积共调节的阴离子交换膜及 其制备方法。
背景技术
现代社会的发展面临化石燃料短缺和环境污染两大严重问题。面对到来的能源危机，全 世界必须意识到开源节流的策略，即一方面节约能源，另一方面开发新能源。燃料电池作为 一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来得到国内外普遍重视。
阴离子交换膜(AEM)作为燃料电池的关键部件之一，在电池中起到阻隔阴阳两极和传 导氢氧根离子的作用。碱性阴离子膜燃料电池(AEMFC)氧还原过电位低，电极反应动力学 快,可采用钴、镍、铁等非贵金属催化剂,具有成本优势，无碳酸盐结晶及燃料渗透率低等优 点是燃料电池领域目前的研究热点之一，已被列入国家重点研发计划新能源汽车重大专项的 研究内容。但是，AEMFC的发展仍面临很多问题，AEM低电导率和差碱稳定性一直是阻碍 AEMFC发展的关键，因此发展具有高电导率和高碱稳定性的AEM成为近些年来的研究热点 和亟待解决的重点。
为了提高AEM的电导率，对于主链型阴离子交换膜而言，势必会增加离子基团数量以 增大离子基团浓度来获得高电导率，但此方法同时会带来过度的吸水与溶胀，影响膜的机械 性能。因此，通过设计合理有效的分子结构构造微相分离的方式来提高膜的电导率成为研究 的主流。如通过构造亲水段与疏水段的嵌段型聚合物，如交联型聚合物，最普遍的就是构造 各种亲疏水链段的长侧链结构。
但是，以上的研究忽略了一个问题，就是聚合物的主链总体都是偏柔性的，链堆积与链 缠绕仍然存在，就会阻碍氢氧根离子的传导。因此，一种较为新型的方法是在聚合物结构中 引入大体积、非共面结构，降低链堆积密度，形成纳米尺寸的“孔隙”，增加离子传输通道， 降低氢氧根离子传输阻力，以期在较低离子交换容量下获得较高电导率。
Kim等人将具有大体积立体构型的未功能化的三蝶烯聚醚砜掺入到咪唑离子化的聚醚砜 阴离子交换膜中，以此来提高离子电导率、机械性和碱稳定性。三蝶烯独特的三维立体结构 可以提高膜内自由体积，降低分子链的堆积密度，促进离子快速传导。本实验室的张和巩等 人将自由体积与亲疏水相分离相结合的思想运用到各自的研究中。其中，张奎博合成同时具 有弯曲-扭曲非共面的聚合物，以此探究自由体积在离子传导方面的作用。结果表明，在较低 的离子交换容量下(1.25mmol g-1)，室温电导率达到35mS cm-1。高的电导率得益于弯曲- 扭曲非共面的嵌段结构。弯曲-扭曲非共面结构降低链堆积密度，提高膜内自由体积，降低离 子传输阻力，促进离子快速传导；同时，嵌段结构的应用提高膜微相分离程度，促进离子的 聚集，形成连续贯通的亲水域。巩守涛将具有自由体积特性的自具微孔聚合物作为疏水链段 与聚砜链段缩聚，探究自由体积与嵌段效应对膜性能的影响。所制备的膜80℃电导率达到 52.6mS cm-1，微相分离所产生的离子簇尺寸达到11.6nm。以上研究结构均表明，引入大体 积结构能够降低离子传输阻力，提高离子传输速率。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：双极板及质子交换膜燃料电池