專(zhuān)利名稱(chēng)：一種堿性離子聚合物及其制備和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及堿 性離子聚合物，具體的說(shuō)是一種可以添加到堿性燃料電池電極催化層中的用作or離子傳導(dǎo)的堿性離子聚合物。
背景技術(shù)：
目前APEMFC在工作過(guò)程中，通常需要在燃料中添加KOH等堿性溶液作為電解質(zhì)，以促進(jìn)0H_離子在陰、陽(yáng)極催化層中的傳導(dǎo)，造成APEMFC中存在與傳統(tǒng)AFC類(lèi)似的碳酸鹽問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，研究開(kāi)發(fā)堿性離子聚合物至關(guān)重要重要。Varcor采用N，N，N’，N’_四甲基_1，6_己二胺(TMHDA)對(duì)聚氯甲基苯乙烯(PVBC)進(jìn)行交聯(lián)制得了離子聚合物，并將其加入催化層中，在501:時(shí)4/02燃料電池的功率密度從1.6mff cm—2提高到55mW.cm—2。但是，使用相同MEA采用甲醇為燃料時(shí)，其電池性能只有
0.98mff cm—2。研究者將具有高電導(dǎo)率的含季膦基團(tuán)的聚合物作為堿性離子聚合物添加到催化層中，堿性氫-氧燃料電池的最高功率密度可達(dá)200mW.cm—2，但是該類(lèi)含季膦基團(tuán)的聚合物溶于甲醇等極性有機(jī)溶劑，無(wú)法應(yīng)用于直接醇類(lèi)堿性聚合物陰離子交換膜燃料電池中。Atanassova等人研究發(fā)現(xiàn),界面聚合物溶脹性較大時(shí)，會(huì)減小界面聚合物上堿性基團(tuán)和催化劑的接觸，降低電池性能。因而，制備一種電導(dǎo)率高、能均勻分散于催化層中、溶脹較小、且不溶于甲醇、乙醇等溶液的材料作為堿性離子聚合物，是提高直接醇類(lèi)堿性聚合物陰離子交換膜燃料電池性能、解決碳酸鹽問(wèn)題的必由之路。本發(fā)明采用含氟材料超細(xì)粉末作為基底，使用輻射接枝的方法對(duì)其表面季銨化改性，制得了可添加到催化層中的堿性陰離子聚合物，將其與電催化劑混合制備催化層，組裝的MEA在堿性聚合物電解質(zhì)膜燃料電池中表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種堿性離子聚合物，以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的在不添加液體堿作為電解質(zhì)時(shí)，OH—離子在堿性燃料電池催化層中傳導(dǎo)不暢，催化劑利用率低等問(wèn)題，使堿性陰離子交換膜燃料電池在無(wú)堿條件下具有較好的電池性能。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:—種堿性離子聚合物，包括含氟基底材料和其上的季銨化官能團(tuán)；其中，季銨化官能團(tuán)通過(guò)氯甲基苯乙烯基接枝到含氟基底材料上，且季銨化官能團(tuán)為通過(guò)堿化反應(yīng)而得到的具有OH—離子傳導(dǎo)能力的官能團(tuán)；季銨化官能團(tuán)通式為
權(quán)利要求
1.一種堿性離子聚合物，其特征在于:包括含氟基底材料和其上的季銨化官能團(tuán)；其中，季銨化官能團(tuán)通過(guò)氯甲基苯乙烯基接枝到含氟基底材料上，且季銨化官能團(tuán)為通過(guò)堿化反應(yīng)而得到的具有Off離子傳導(dǎo)能力的官能團(tuán)； 季銨化官能團(tuán)通式為
2.—種權(quán)利要求1所述堿性離子聚合物的制備方法，其特征在于:包括以下制備步驟: (1)基底材料的輻射:使用丙酮將基底材料清洗烘干后保存在惰性氣氛中進(jìn)行輻射，得經(jīng)輻射的基底材料粉末，并將其于-24-10°C的低溫環(huán)境中保存； (2)單體的接枝:將步驟(1)所得經(jīng)輻射的基底材料粉末浸潤(rùn)在氯甲基苯乙烯上進(jìn)行接枝反應(yīng)，接枝反應(yīng)在惰性氣氛下進(jìn)行，反應(yīng)溫度為40°C _80°C，反應(yīng)時(shí)間為10-80小時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后，使用甲苯對(duì)經(jīng)接枝反應(yīng)的粉末進(jìn)行清洗，清洗后于50-90°C條件下烘干，得經(jīng)接枝反應(yīng)制得的粉末； (3)季銨化改性:步驟(2)所得經(jīng)接枝反應(yīng)制得的粉末浸潤(rùn)在季銨化試劑中，使用質(zhì)量濃度為20% -80%的季銨化試劑對(duì)步驟(2)所得經(jīng)接枝反應(yīng)制得的粉末在15°C _60°C進(jìn)行季銨化處理，處理時(shí)間為10-80小時(shí)，之后使用去離子水對(duì)季銨化處理后的粉末進(jìn)行沖洗，沖洗后使用濃度為0.l-5mol L-1的HCl對(duì)其進(jìn)行處理，得Cl-型離子聚合物； (4)堿性離子聚合物的制備:使用濃度為0.1-2.0mol Γ1的NaOH或KOH對(duì)上述步驟(3)制得的Cl-型離子聚合物在室溫下處理10-80小時(shí)，使制得的粉末轉(zhuǎn)變?yōu)镺H-型，過(guò)濾洗滌，得堿性離子聚合物。
3.如權(quán)利要求2所述堿性離子聚合物的制備方法，其特征在于:基底材料為聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物(PFA)、聚乙烯-四氟乙烯(ETFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)中的一種；基底材料的顆粒直徑為10-1000nm。
4.如權(quán)利要求2所述堿性離子聚合物的制備方法，其特征在于:步驟(I)所述輻射采用60Co衰變產(chǎn)生的Y射線(xiàn)；劑量率為0.1kGy.IT1-1OkGy.h-1 ;輻射時(shí)間為3-15個(gè)小時(shí)。
5.如權(quán)利要求2所述堿性離子聚合物的制備方法，其特征在于:步驟(2)所述接枝反應(yīng)前，將惰性氣體通入氯甲基苯乙烯中以驅(qū)除其中的氧氣；接枝反應(yīng)過(guò)程中，對(duì)反應(yīng)溶液進(jìn)行磁力攪拌以保含氟基底材料顆粒間不發(fā)生粘連。
6.如權(quán)利要求2所述堿性離子聚合物的制備方法，其特征在于: 步驟(3)中所述季銨化試劑為
7.如權(quán)利要求6所述堿性聚合物的制備方法，其特征在于:步驟(3)中所述季銨化試劑為三甲胺、乙二胺、三乙烯二胺或芐基三甲胺。
8.如權(quán)利要求2或5所述堿性聚合物的制備方法，其特征在于:所述惰性氣體為氬氣、氦氣、氮?dú)庵械囊环N或二種以上。
9.一種權(quán)利要求1所述堿性離子聚合物的應(yīng)用，其特征在于:其可作為OH-的傳導(dǎo)載體添加到催化劑漿液中并制備成用于堿性聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的催化層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種堿性離子聚合物，包括基底材料和季銨化官能團(tuán)；其中，季銨化官能團(tuán)通過(guò)氯甲基苯乙烯接枝到基底上，且季銨化官能團(tuán)為通過(guò)堿化反應(yīng)而得到的具有OH-離子傳導(dǎo)能力的官能團(tuán)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將制備的堿性離子聚合物添加到催化層中有助于催化層中OH-離子的傳導(dǎo)，從而避免了液體堿的引入，并從根本上解決了堿性燃料電池面臨的最嚴(yán)峻的碳酸鹽的問(wèn)題；有助于催化劑顆粒的分散，從而提高催化層中的三相界面和催化劑的利用率，降低電池成本。
文檔編號(hào)C08F8/44GK103172792SQ20111043646
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2011年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月22日
發(fā)明者孫公權(quán), 柳鶴, 王素力, 姜魯華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所