一种咔唑基阴离子交换膜制造技术

本发明专利技术属于阴离子交换膜技术领域，提供了一种咔唑基阴离子交换膜

【技术实现步骤摘要】
一种咔唑基阴离子交换膜、制备方法及其在中性有机液流电池中的应用


[0001]本专利技术属于碱性阴离子交换膜
，涉及到一种咔唑基阴离子交换膜
、
制备方法及其在中性有机液流电池中的应用
。

技术介绍

[0002]储能装置是补足新能源不连续
、
不稳定缺点从而走向工业化所必须的
。
氧化还原液流电池
(RFBs)
以其长寿命
、
高效率和安全性的特点而受到关注
。
在众多类型
RFBs
中，全钒液流电池工艺最为成熟，但其强酸性
、
强氧化性体系容易造成设备的腐蚀，并且采用无机钒离子作为活性物质成本过高，限制了全钒液流电池的发展
。
中性有机液流电池
(NAORFB)
采用有机小分子用作活性物质，通过调整有机小分子的制备工艺可以对其成本进行控制，并且中性体系不会造成严重的腐蚀问题，节省了工业的维护费用
。
离子交换膜是
NAORFB
的一个核心部件，它不仅阻隔两极活性物质交叉污染，并且允许氯离子作为载流子在阴阳极之间来回穿梭实现闭合回路
。T.Leo Liu
等在
《Boosting the energy efficiency and power performance of neutral aqueous organic redox flow batteries》
上指出，
NAORFB
中膜的阻值占电池总阻值的
70
％，作者
Yan Xiao
等在
《Advanced anion
‑
selective membranes with pendant quaternary ammonium for neutral aqueous supporting redox flow battery》
上对商用阴膜
AMVN
进行测试，结果表明
AMVN
氯离子传导率较低
。
因此寻找高氯离子传导率
、
高稳定性的阴离子交换膜，是目前关注的热点之一
。

技术实现思路

[0003]本专利技术旨在提高阴离子交换膜的离子传递性能和尺寸稳定性，提供了一种咔唑基阴离子交换膜的制备方法：合成了具有良好尺寸稳定性和机械性能的咔唑基聚合物，再对聚合物进行季铵化得到季铵化聚合物，利用溶液浇筑法将季铵化聚合物制备成阴离子交换膜
。
引入的刚性咔唑结构有助于提高聚合物的尺寸稳定性，柔性侧链促进了哌啶基团的团聚，促进微相分离，利用高活性的丙酮酸甲酯使得聚合的催化剂仅为甲基磺酸，与三氟乙酸及三氟甲磺酸作催化剂相比，大大降低了成本，同时丙酮酸甲酯上的酯基疏水，促进膜内形成良好的微相分离结构，提高膜性能
。
所制备的膜具有较好的尺寸稳定性和较好的离子传导率，应用于中性液流电池中有较优异的性能
。
[0004]本专利技术的技术方案：
[0005]一种咔唑基阴离子交换膜，引入的刚性咔唑结构有助于提高聚合物的尺寸稳定性，柔性侧链促进了哌啶基团的团聚，促进微相分离，利用高活性的丙酮酸甲酯使得聚合的催化剂为低成本的甲基磺酸，聚合物结构式如下：
[0006][0007]其中：
0<x≤1。
[0008]一种咔唑基阴离子交换膜的制备方法，制备步骤如下：
[0009](1)
咔唑基聚合物的合成：将9‑
(6
‑
溴己基
)
‑
咔唑和丙酮酸甲酯添加到二氯甲烷中，在0‑
5℃
温度条件下再加入甲基磺酸，0‑
5℃
温度条件下反应1‑
2h
，得到粘稠状液体；将粘稠状液体缓慢倒入无水甲醇中得到白色纤维状聚合物，抽滤并水洗
24h
，在
60℃
烘箱中干燥
48h
，得到咔唑基聚合物；
[0010]所述9‑
(6
‑
溴己基
)
‑
咔唑与丙酮酸甲酯的摩尔比为
1∶2
；
[0011]所述丙酮酸甲酯与二氯甲烷的体积比为
1∶4.6
；
[0012]所述丙酮酸甲酯与甲基磺酸的体积比为1：
3.1.
[0013](2)
咔唑基聚合物的季铵化：取步骤
(1)
得到的咔唑基聚合物升温溶解于
NMP
中，加入
N
‑
甲基哌啶，在
60
～
80℃
下反应
15h
；反应完成后，冷却至室温；
[0014]所述咔唑基聚合物与
N
‑
甲基哌啶的摩尔比为1：0～3；
[0015]所述咔唑基聚合物与
NMP
的添加比例为
1g:20mL
；
[0016](3)
季铵化咔唑基离子交换膜的制备：取步骤
(2)
反应完成的溶液移入铸膜玻璃板中，置于烘箱中铸膜，溶剂完全挥发后得到膜材料；在室温下，将膜浸泡在1‑
3M
氯化钠溶液中
24h
，使其进行充分的离子交换，再泡入去离子水中
24h
，除去多余的氯化钠，得到咔唑基阴离子交换膜；
[0017]浇铸法成膜的烘干温度为
60
～
80℃
，时间为
48
小时
。
[0018]本专利技术的效果和益处是通过缩聚和季铵化反应，设计并制备了一种应用于中性液流电池中的咔唑基阴离子交换膜
。
引入的刚性咔唑结构有助于提高聚合物的尺寸稳定性，柔性侧链促进了哌啶基团的团聚，促进微相分离，使膜具有较高的离子电导率
。
以此种方法所制备的咔唑基阴离子交换膜可表现出十分优异的电池性能，其能量效率远优于
AMVN
等常用膜
。
具体实施方式
[0019]以下结合实施案例对本专利技术做进一步详细的描述，但是本专利技术的实施方式并不仅限于此
。
[0020]实施例
1(x
＝
0.5)
[0021](1)
咔唑基聚合物的合成：称取
1.485g 9
‑
(6
‑
溴己基
)
‑
咔唑，量取
0.81mL
丙酮酸甲酯，移入
3.75mL
二氯甲烷中，冰浴
10
分钟后在冰浴下加入
2.5mL
甲基磺酸，冰浴条件下反应1‑
2h
，得到粘稠状液体，将液体缓慢倒入无水甲醇中得到纤维本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种咔唑基阴离子交换膜，其特征在于，形成该咔唑基阴离子交换膜的聚合物结构式如下：其中：
0<x≤1。2.
一种咔唑基阴离子交换膜的制备方法，其特征在于，步骤如下：
(1)
咔唑基聚合物的合成：将9‑
(6
‑
溴己基
)
‑
咔唑和丙酮酸甲酯添加到二氯甲烷中，在0‑
5℃
温度条件下再加入甲基磺酸，0‑
5℃
温度条件下反应1‑
2h
，得到粘稠状液体；将粘稠状液体缓慢倒入无水甲醇中得到白色纤维状聚合物，抽滤并水洗
24h
，在
60℃
烘箱中干燥
48h
，得到咔唑基聚合物；所述9‑
(6
‑
溴己基
)
‑
咔唑与丙酮酸甲酯的摩尔比为1：2；所述丙酮酸甲酯与二氯甲烷的体积比为1：
4.6
；所述丙酮酸甲酯与甲基磺酸的体积比为1：
3.1.(2)
咔唑基聚合物的季铵化：取步骤
(...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺高红，彭仕琦，焉晓明，阮雪华，郑文姬，吴雪梅，姜晓滨，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：