一种基于富勒烯阴离子交换膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于富勒烯阴离子交换膜的制备方法，包括如下步骤：1)乙烯基咪唑盐的制备、2)基于富勒烯咪唑盐的制备、3)聚合物膜的制备、4)离子交换；本发明专利技术还公开了根据所述制备方法制备得到的基于富勒烯阴离子交换膜；该发明专利技术公开的基于富勒烯阴离子交换膜制备方法绿色、简单，膜电导率高，成本低，机械性能和耐碱性能优异。

【技术实现步骤摘要】
一种基于富勒烯阴离子交换膜及其制备方法
本专利技术属于复合材料
，涉及一种碱性阴离子交换膜燃料电池部件，尤其涉及一种基于富勒烯阴离子交换膜及其制备方法。
技术介绍
碱性阴离子交换膜是碱性阴离子交换膜燃料电池的“心脏”部位，它起到传导阴离子和阻隔燃料的双重作用，其性能的好坏直接决定着燃料电池的性能和寿命。碱性阴离子交换膜由其离子传导作用的离子基团和聚合物基体材料构成，传统的碱性阴离子交换膜是通过在芳香族聚合物上接枝季铵盐类化合物达到离子传递作用的，但这类阴离子交换膜多存在尺寸稳定性差，吸水率高，溶胀度大，耐热性、化学稳定性耐碱性和机械性能差等缺点。且在接枝季铵盐化合物时，通常会使用剧毒物质氯甲醚，造成环境问题，不符合绿色清洁能源的理念。对富勒烯进行表面改性，使其表面存在较多的活性基团，如羧基、羟基，是解决富勒烯团聚的好方法，通过表面改性，能衍生出不同用途的富勒烯，大大拓宽了富勒烯的使用领域，在阴离子交换膜中引入功能化的富勒烯，不仅能提高膜的机械性能，膜的电导率和耐碱性也会进一步提高。因此，人们一直在探索一种绿色、简单，电导率高，成本低，机械性能优异和耐碱性能良好的基于富勒烯的碱性阴离子膜及其制备方法。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种基于富勒烯阴离子交换膜，该阴离子交换膜制备原料易得，价格低廉，避免了传统碱性阴离子交换膜制备所用的溶液浇注成膜法，且避免了剧毒致癌物质氯甲醚的使用和可能造成环境污染和人体伤害的有机溶剂的使用，且提供了一种克服碱性阴离子交换膜化学和热稳定性、耐碱性、机械性能差的方法。为达到以上目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于富勒烯阴离子交换膜的制备方法，包括如下步骤：1)乙烯基咪唑盐的制备：将乙烯基咪唑加入到有机溶剂中，后向其中加入2-甲氧基乙氧基甲基氯，室温搅拌4-6小时，用乙酸乙酯洗4-6次，后在30-40℃下旋蒸移除溶剂；2)基于富勒烯咪唑盐的制备：将经过步骤1)制备得到的乙烯基咪唑盐、无机阻聚剂和碱催化剂溶于乙腈中，在70-80℃下搅拌反应3-5小时，后向其中加入环氧氯丙烷，继续搅拌20-30小时，后再向其中加入氨基改性富勒烯，在室温下继续搅拌4-6小时，并用水洗4-6次，后在40-50℃下旋蒸移除溶剂；3)聚合物膜的制备：将步骤2)中得到的基于富勒烯咪唑盐、聚合型单体和乳化剂混合，滴在玻璃板上，放入在氮气氛围下的辐射场内，采用高能电离射线辐射，辐照时间30-40分钟；4)离子交换：将步骤3)中制备得到的聚合物膜浸泡在质量分数为10-20％的KOH溶液中60-70℃下68-80小时进行离子交换。最后将膜泡在去离子水中20-30小时，后取出在50-60℃的真空干燥箱中干燥10-12小时；其中，步骤1)中所述乙烯基咪唑、有机溶剂、2-甲氧基乙氧基甲基氯的质量比为(4-5)：(12-20)：(5-7)；步骤2)中所述乙烯基咪唑盐、无机阻聚剂、碱催化剂、乙腈、环氧氯丙烷、氨基改性富勒烯的质量比为(2-3)：1:3:(10-15):1:1；所述无机阻聚剂选自氯化铁、硫化钠、硫氰酸铵中的一种或几种；所述碱催化剂选自氢化钠、叔丁基醇钾、氢氧化钾中的一种或几种；所述有机溶剂选自乙醚、乙酸乙酯、丙酮中的一种或几种；步骤3)中所述基于富勒烯咪唑盐、聚合型单体、乳化剂的质量比为(2-3)：(5-7)：(0.1-0.3)；所述聚合型单体选自苯乙烯、磺化苯乙烯、丙烯腈、乙烯醇、甲基丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种；所述乳化剂选自十二烷基苯磺酸钠、聚氧丙烯聚乙烯甘油醚、壬基酚聚氧乙烯醚中的一种或几种；所述高能电离射线选自α射线、β射线、γ射线、x射线、电子束中的一种或几种。一种基于富勒烯阴离子交换膜，采用所述一种基于富勒烯阴离子交换膜的制备方法制备得到；一种阴离子交换膜燃料电池，采用所述一种基于富勒烯阴离子交换膜作为阴离子交换膜。由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点：(1)本专利技术设计的基于富勒烯阴离子交换膜原料易得，价格较现有技术中的阴离子交换膜价格低廉，不需要加溶剂和引发剂，节能环保，符合可持续发展战略。(2)本专利技术设计的基于富勒烯阴离子交换膜，分子主链为聚乙烯类聚合物，机械性能好，离子传导功能基团咪唑盐阳离子在3-位上用羟烷基取代，能为咪唑阳离子供电子，从而提高咪唑环的稳定性，提高膜的耐碱性。(3)本专利技术设计的基于富勒烯阴离子交换膜，在咪唑环2-位上接枝有富勒烯，接枝有富勒烯的咪唑烷由于位阻效应，具有更好的耐碱性和机械性能。(4)本专利技术设计的基于富勒烯阴离子交换膜，富勒烯在分子链中起到交联作用，使得分子链形成三维网络结构，提高聚合物的化学稳定性、尺寸稳定性。(5)本专利技术设计的基于富勒烯阴离子交换膜，由于富勒烯的添加，其特定的结构使得膜分子结构中形成离子通道，有利于离子传导，从而提高离子传导率。具体实施方式以下描述用于揭露本专利技术以使本领域技术人员能够实现本专利技术。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。实施例1一种基于富勒烯阴离子交换膜的制备方法，包括如下步骤：1)乙烯基咪唑盐的制备：将乙烯基咪唑40g加入到乙醚120g中，后向其中加入2-甲氧基乙氧基甲基氯50g，室温搅拌4小时，用乙酸乙酯洗4次，后在30℃下旋蒸移除溶剂；2)基于富勒烯咪唑盐的制备：将经过步骤1)制备得到的乙烯基咪唑盐20g、氯化铁10g和氢化钠30g溶于乙腈100g中，在70℃下搅拌反应3小时，后向其中加入环氧氯丙烷10g，继续搅拌20小时，后再向其中加入氨基改性富勒烯10g，再室温下继续搅拌4小时，并用水洗4次，后在40℃下旋蒸移除溶剂；3)聚合物膜的制备：将步骤2)中得到的基于富勒烯咪唑盐2g、苯乙烯5g和十二烷基苯磺酸钠0.1g混合，滴在玻璃板上，放入在氮气氛围下的辐射场内，采用α射线辐射，辐照时间30分钟；(可重复实施，不涉及诱变实用性问题)4)离子交换：将步骤3)中制备得到的聚合物膜浸泡在质量分数为10％的KOH溶液中60℃下68小时进行离子交换。最后将膜泡在去离子水中20小时，后取出在50℃的真空干燥箱中干燥10小时；一种基于富勒烯阴离子交换膜，采用所述一种基于富勒烯阴离子交换膜的制备方法制备得到；一种阴离子交换膜燃料电池，采用所述一种基于富勒烯阴离子交换膜作为阴离子交换膜。实施例2一种基于富勒烯阴离子交换膜的制备方法，包括如下步骤：1)乙烯基咪唑盐的制备：将乙烯基咪唑42g加入到乙酸乙酯140g中，后向其中加入2-甲氧基乙氧基甲基氯55g，室温搅拌5小时，用乙酸乙酯洗5次，后在34℃下旋蒸移除溶剂；2)基于富勒烯咪唑盐的制备：将经过步骤1)制备得到的乙烯基咪唑盐24g、硫化钠10g和叔丁基醇钾30g溶于乙腈120g中，在73℃下搅拌反应4小时，后向其中加入环氧氯丙烷10g，继续搅拌23小时，后再向其中加入氨基改性富勒烯10g，在室温下继续搅拌5小时，并用水洗5次，后在44℃下旋蒸移除溶剂；3)聚合物膜的制备：将步骤2)中得到的基于富勒烯咪唑盐2.3g、磺化苯乙烯5.5g和聚氧丙烯聚乙烯甘油醚0.2g混合，滴在玻璃板上，放入在氮气氛围下的辐射场内，采用β射线辐射，辐照时间33分钟；4)离子交换：将步骤3)中制备得到的聚合物膜浸泡在质量分数为13本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于富勒烯阴离子交换膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)乙烯基咪唑盐的制备：将乙烯基咪唑加入到有机溶剂中，后向其中加入2‑甲氧基乙氧基甲基氯，室温搅拌4‑6小时，用乙酸乙酯洗4‑6次，后在30‑40℃下旋蒸移除溶剂；2)基于富勒烯咪唑盐的制备：将经过步骤1)制备得到的乙烯基咪唑盐、无机阻聚剂和碱催化剂溶于乙腈中，在70‑80℃下搅拌反应3‑5小时，后向其中加入环氧氯丙烷，继续搅拌20‑30小时，后再向其中加入氨基改性富勒烯，在室温下继续搅拌4‑6小时，并用水洗4‑6次，后在40‑50℃下旋蒸移除溶剂；3)聚合物膜的制备：将步骤2)中得到的基于富勒烯咪唑盐、聚合型单体和乳化剂混合，滴在玻璃板上，放入在氮气氛围下的辐射场内，采用高能电离射线辐射，辐照时间30‑40分钟；4)离子交换：将步骤3)中制备得到的聚合物膜浸泡在质量分数为10‑20％的KOH溶液中60‑70℃下68‑80小时进行离子交换，最后将膜泡在去离子水中20‑30小时，后取出在50‑60℃的真空干燥箱中干燥10‑12小时；其中，步骤1)中所述乙烯基咪唑、有机溶剂、2‑甲氧基乙氧基甲基氯的质量比为(4‑5)：(12‑20)：(5‑7)；步骤2)中所述乙烯基咪唑盐、无机阻聚剂、碱催化剂、乙腈、环氧氯丙烷、氨基改性富勒烯的质量比为(2‑3)：1:3:(10‑15):1:1。...

【技术特征摘要】
1.一种基于富勒烯阴离子交换膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)乙烯基咪唑盐的制备：将乙烯基咪唑加入到有机溶剂中，后向其中加入2-甲氧基乙氧基甲基氯，室温搅拌4-6小时，用乙酸乙酯洗4-6次，后在30-40℃下旋蒸移除溶剂；2)基于富勒烯咪唑盐的制备：将经过步骤1)制备得到的乙烯基咪唑盐、无机阻聚剂和碱催化剂溶于乙腈中，在70-80℃下搅拌反应3-5小时，后向其中加入环氧氯丙烷，继续搅拌20-30小时，后再向其中加入氨基改性富勒烯，在室温下继续搅拌4-6小时，并用水洗4-6次，后在40-50℃下旋蒸移除溶剂；3)聚合物膜的制备：将步骤2)中得到的基于富勒烯咪唑盐、聚合型单体和乳化剂混合，滴在玻璃板上，放入在氮气氛围下的辐射场内，采用高能电离射线辐射，辐照时间30-40分钟；4)离子交换：将步骤3)中制备得到的聚合物膜浸泡在质量分数为10-20％的KOH溶液中60-70℃下68-80小时进行离子交换，最后将膜泡在去离子水中20-30小时，后取出在50-60℃的真空干燥箱中干燥10-12小时；其中，步骤1)中所述乙烯基咪唑、有机溶剂、2-甲氧基乙氧基甲基氯的质量比为(4-5)：(12-20)：(5-7)；步骤2)中所述乙烯基咪唑盐、无机阻聚剂、碱催化剂、乙腈、环氧氯丙烷、氨基改性富勒烯的质量比为(2-3)：1:3:(10-15):1:1。2.根据权利要求1所述的一种基于富勒烯阴离子交换膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：童慧，
申请(专利权)人：泰顺永庆电力技术有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33