一种高性能的膜材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及膜材料技术领域，具体涉及一种高性能的膜材料及其制备方法和应用，所述膜材料包含的聚合物结构如下：

【技术实现步骤摘要】
一种高性能的膜材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种高性能的膜材料及其制备方法和应用，属于膜材料

。

技术介绍

[0002]燃料电池是一种将氢气
、
甲醇和烃类等富氢燃料与空气中的氧气的化学能直接转化成电能的装置，具有清洁高效以及环境友好等特点
。
燃料电池根据电解质的不同进行分类，可分为碱性阴离子交换膜燃料电池（
AAEMFC
）
、
质子交换膜燃料电池（
PEMFC
）
、
磷酸燃料电池（
PAFC
）和固体氧化物燃料电池（
SOFC
）等
。
其中质子膜燃料电池是发展最早且应用最多的一类燃料电池，有成熟的商业链
。
但是质子膜燃料电池的电极反应需使用铂等贵金属作为催化剂，这使得质子交换膜燃料电池的成本显著增加
。
而且燃料和氧化剂中存在的微量二氧化硫和一氧化碳等可使催化剂活性降低甚至失活，导致催化剂中毒
。
这些缺点都阻碍了质子交换膜燃料电池技术的实际应用和商业化
。
然而碱性阴离子交换膜燃料电池对比其他种类燃料电池，具有更多的优点，如更高的反应效率，允许使用银
、
镍等非贵金属作催化剂，对气体原料中的一氧化碳等具有更好的耐受性等，而受到广泛关注
。
[0003]碱性阴离子交换膜燃料电池中阴离子交换膜的功能是传导离子并且隔离气体和电子（电子绝缘体）
。
如何让阴离子交换膜同时具备高的离子电导率和优秀的耐碱性是制备有效的阴离子交换膜的一个重要挑战
。
在设计聚合物结构时，可以通过增加分子结构中带电荷的官能团来提高离子交换容量（
IEC
），进一步提高离子电导率；但是高的离子交换容量（
IEC
） 意味着高的吸水率，会影响机械性能稳定性
。
总的来说，机械性能与电化学性能是对立的存在，要想得到合适的用于碱性燃料电池的阴离子交换膜，必须平衡好离子交换容量和机械强度
。
其次就是阴离子交换膜的耐碱性，防止膜材料在碱性环境中缓慢分解，使燃料电池的效率大幅降低
。
可以通过设计聚合物的官能团结构，来提高膜材料的耐碱性
。
总的来说，对碱性燃料电池的离子交换膜的主要要求有：低成本
、
良好的机械性能
、
能传导氢氧根离子且离子电导率高
、
优秀的耐碱性
。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术存在的不足，提供一种高性能的膜材料及其制备方法和应用，所述膜材料具有良好的离子传导率
、
稳定的物化性能和优秀的耐碱性，制备方法简单易行，在燃料电池离子膜应用方面具有巨大的潜力
。
[0005]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种高性能的膜材料，所述膜材料包含的聚合物结构式如下：；
Y1、Y2各自独立地选自芳基
、
芳烷基
、
杂烷基
、
烷基
、
全氟烷基或不存在且
Y1和
Y2中的至少一个选自芳基
、
芳烷基
、
杂烷基
、
烷基或全氟烷基，当
Y1和
Y2中的一个不存在时，不存在的
Y1或
Y2所连接的咪唑基是中性的；
Y3、Y4各自独立地选自芳基
、
芳烷基
、
杂烷基
、
烷基
、
全氟烷基或不存在且
Y3和
Y4中的至少一个选自芳基
、
芳烷基
、
杂烷基
、
烷基或全氟烷基，当
Y3和
Y4中的一个不存在时，不存在的
Y3或
Y4所连接的咪唑基是中性的；
Ar2选自取代或未取代的亚芳基
、
亚芳烷基
、
亚杂烷基
、
亚烷基
、
全氟亚烷基
、
亚杂芳基
、O、S、N
或不存在；当
Ar2中含有取代基时，则
Ar2基团中有被
1、2、3
或4个取代基取代，所述取代基独立地选自烷基
、
芳基
、
芳烷基
、
全氟烷基
、
杂烷基
、
杂芳基和卤素；当
Ar2不存在时，键端直接连接于苯并环的任意位置；
Ar1、Ar3独立地选自取代或未取代的亚芳基
、
亚芳烷基
、
亚杂烷基
、
亚烷基
、
全氟亚烷基
、
亚杂芳基或不存在；当
Ar1或
Ar3中含有取代基时，则
Ar1或
Ar3基团中有被
1、2、3
或4个取代基取代，所述取代基独立地选自烷基
、
芳基
、
芳烷基
、
全氟烷基
、
杂烷基
、
杂芳基和卤素；当
Ar1或
Ar3不存在时，咪唑键端直接连接于苯环的任意位置；
R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R
10
、R
11
、R
12
、R
13
、R
14
各自独立地选自氢
、
烷基
、
芳基
、
芳烷基
、
杂烷基
、
杂芳基或全氟烷基；
M
‑
选自氟离子
、
氯离子
、
溴离子
、
碘离子
、
氢氧根
、
碳酸根
、
碳酸氢根
、
氰根
、
硫酸根
、
磷酸根
、
三氟甲磺酸根及其任意组合；
n
是大于1的整数；所述杂烷基
、
亚杂烷基
、
亚杂芳基
、
杂芳基中的杂原子选自
O、S
或
N。
[0006]进一步的，所述聚合物包含一个或多个阴离子
M
‑
，其中所述一个或多个阴离子
M
‑
抵消聚合物中的一个或多个正电荷
。
[0007]进一步的，所述聚合物包含如下结构式：
。
[0008]进一步的，所述聚合物选自如下结构式中的任意一种：
。
[0009]本专利技术还公开了所述高性能的膜材料的制备方法，所述的制备方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种高性能的膜材料，其特征在于，所述膜材料包含的聚合物结构式如下：；
Y1、Y2各自独立地选自芳基
、
芳烷基
、
杂烷基
、
烷基
、
全氟烷基或不存在且
Y1和
Y2中的至少一个选自芳基
、
芳烷基
、
杂烷基
、
烷基或全氟烷基，当
Y1和
Y2中的一个不存在时，不存在的
Y1或
Y2所连接的咪唑基是中性的；
Y3、Y4各自独立地选自芳基
、
芳烷基
、
杂烷基
、
烷基
、
全氟烷基或不存在且
Y3和
Y4中的至少一个选自芳基
、
芳烷基
、
杂烷基
、
烷基或全氟烷基，当
Y3和
Y4中的一个不存在时，不存在的
Y3或
Y4所连接的咪唑基是中性的；
Ar2选自取代或未取代的亚芳基
、
亚芳烷基
、
亚杂烷基
、
亚烷基
、
全氟亚烷基
、
亚杂芳基
、O、S、N
或不存在；当
Ar2中含有取代基时，则
Ar2基团中有被
1、2、3
或4个取代基取代，所述取代基独立地选自烷基
、
芳基
、
芳烷基
、
全氟烷基
、
杂烷基
、
杂芳基和卤素；当
Ar2不存在时，键端直接连接于苯并环的任意位置；
Ar1、Ar3独立地选自取代或未取代的亚芳基
、
亚芳烷基
、
亚杂烷基
、
亚烷基
、
全氟亚烷基
、
亚杂芳基或不存在；当
Ar1或
Ar3中含有取代基时，则
Ar1或
Ar3基团中有被
1、2、3
或4个取代基取代，所述取代基独立地选自烷基
、
芳基
、
芳烷基
、
全氟烷基
、
杂烷基
、
杂芳基和卤素；当
Ar1或
Ar3不存在时，咪唑键端直接连接于苯环的任意位置；
R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R
10
、R
11
、R
12
、R
13
、R
14
各自独立地选自氢
、
烷基
、
芳基
、
芳烷基
、
杂烷基
、
杂芳基或全氟烷基；
M
‑
自氟离子
、
氯离子
、
溴离子
、
碘离子
、
氢氧根
、
碳酸根
、
碳酸氢根
、
氰根
、
硫酸根
、
磷酸根
、
三氟甲磺酸根及其任意组合；
n
是大于1的整数；所述杂烷基
、
亚杂烷基
、
亚杂芳基
、
杂芳基中的杂原子选自
O、S
或
N。2.
根据权利要求1所述一种高性能的膜材料，其特征在于，所述聚合物包...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐立，房平磊，黄冲，刘凯，
申请(专利权)人：烟台九目化学股份有限公司，
类型：发明
国别省市：