【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于聚合物電解質膜領域，具體涉及一種用于電解水的基于苯并咪唑小分子的質子交換復合膜及其制備方法。
技術介紹
1、綠色制氫，即通過使用可再生電力電解水吸引了越來越多的關注。所需的電力由可再生能源(res)產生，例如風能、水電或太陽能。由于氫氣和氧氣的生產過程和最終產品都不會對環境造成危害，因此綠色氫氣是氣候中性的。因此，發展電解技術是一個研究課題。
2、質子交換膜(pem)水電解技術被認為是從水和間歇性可再生能源中可持續生產綠色氫的最有前途的技術。此外，pem水電解還具有系統設計緊湊，具有高運行電流密度、氫純度高、能源效率高、響應速度快等優點。質子交換膜則多采用全氟磺酸膜，常見的就是nafion。后續也有人研究出了短鏈的全氟磺酸膜aquivion。然而，這些膜在操作溫度方面具有限制，且價格昂貴。
3、因此，有一些研究人員正在積極開發具有成本效益的烴類聚合物膜，以克服pem水電解膜的局限性。為了保持烴膜在含氧pemwe中的穩定性，已經研究了磺化聚合物。帶負電荷的磺化基團的引入可以防止聚合物鏈從主鏈結構上斷裂和副反應，并通過提供大的親水域來改善質子傳輸。
4、磺化聚合物是一種可以替代nafion膜的物質，其中，磺化聚醚醚酮(speek)就表現出與nafion膜類似的結構，但是其磺酸比例高會使其吸水過量后發生溶脹導致機械性能下降，為了解決這一問題，通過在speek中添加無機填料、離子液體、雜多酸等方式形成speek復合膜，使其在滿足高的質子電導率的同時還擁有較高的機械強度和熱穩定性，但這類質
技術實現思路
1、本專利技術利用苯并咪唑小分子耐熱，耐酸耐堿性能，且比pbi溶解性好的優點，設計制備了帶有磺酸基團的苯并咪唑剛性棒狀小分子，以其作為填料加入聚合物基質中制成復合膜，提高原有聚合物膜的質子電導率并提高其機械性能。為達到上述目標，該質子交換復合膜的制備步驟如下：
2、(1)磺化苯并咪唑小分子(shpbi)的制備
3、以3,3’-二氨基聯苯胺、5-磺基水楊酸鈉二水合物為反應原料，多聚磷酸為溶劑。在氮氣氣氛下，80℃以上，機械攪拌下除去多聚磷酸中殘余的氧氣，而后依次加入兩種原料，完全溶解后升溫至120℃，反應3h后，再升溫至150℃，繼續反應15h，直到反應溶液變色，將反應物倒入去離子水中冷卻凝固，用玻璃棒攪拌，用去離子水離心洗滌，使得洗完水呈中性，然后將剩余固體放入烘箱烘干，即得5，5'-雙[2-(2-羥基5-磺基苯基)苯并咪唑]，將其命名為shpbi。
4、5-磺基水楊酸鈉二水合物和3,3’-二氨基聯苯胺的摩爾比大于2:1。
5、多聚磷酸的用量大于單體總質量的10倍。
6、制備的帶有磺酸基團的苯并咪唑小分子(shpbi)，結構式如下：
7、
8、(2)磺化聚醚醚酮(speek)的制備
9、將干燥的peek溶解在濃硫酸中，在50℃下攪拌8小時，然后將溶液緩慢倒入冰水浴中，將沉淀出來的speek用去離子水洗滌幾次，然后在60℃下真空干燥24小時，得到最終產物。
10、peek與濃硫酸的質量體積比為：1g：10ml。
11、(3)成膜
12、將制備的小分子苯并咪唑shpbi和speek溶解在二甲基亞砜中形成均一的混合液，將混合液滴加到平整的玻璃板上，置于60℃下的烘箱中干燥成膜。
13、shpbi摻雜量占shpbi和speek總質量的5-15％。
14、制備的質子交換復合膜的結構式如下式所示：
15、
16、本專利技術制備得到的基于苯并咪唑小分子的質子交換復合膜可用于電解水的質子交換膜。
17、與現有技術相比，本專利技術具有以下優點：
18、(1)在磺化聚醚醚酮中加入有機填料shpbi，在膜內引入更多的磺酸基團，進一步提高膜的質子電導率。且通過小分子shpbi和speek之間的離子交聯，有效提高了復合膜的抗溶脹性能和氧化穩定性。
19、(2)shpbi耐酸耐堿耐高溫，具有良好的溶解性，與無機填料和金屬氧化物填料相比，不會發生團聚導致膜機械性能下降的現象。
20、(3)制備工藝簡單，成膜性能好，成本低。本專利技術采用價格較nafion低廉的磺化聚醚醚酮類聚合物材料作為基體，通過溶液澆注法制備磺化聚醚醚酮-磺化苯并咪唑復合膜，整個制備過程簡單，且制膜成本低。
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1.一種基于苯并咪唑小分子的質子交換復合膜，其特征在于，所述質子交換復合膜的結構式如下式所示：
2.一種根據權利要求1所述的基于苯并咪唑小分子的質子交換復合膜的制備方法，其特征在于，所述制備方法步驟如下：
3.根據權利要求2所述的基于苯并咪唑小分子的質子交換復合膜的制備方法，其特征在于，步驟(a)中，5-磺基水楊酸鈉二水合物和3,3’-二氨基聯苯胺的摩爾比大于2:1。
4.根據權利要求2所述的基于苯并咪唑小分子的質子交換復合膜的制備方法，其特征在于，步驟(a)中，多聚磷酸的用量大于單體總質量的10倍。
5.根據權利要求2所述的基于苯并咪唑小分子的質子交換復合膜的制備方法，其特征在于，步驟(a)中，5，5'-雙[2-(2-羥基5-磺基苯基)苯并咪唑]的結構式如下式所示：
6.根據權利要求2所述的基于苯并咪唑小分子的質子交換復合膜的制備方法，其特征在于，步驟(b)中，PEEK與濃硫酸的質量體積比為：1g：10ml。
7.根據權利要求2所述的基于苯并咪唑小分子的質子交換復合膜的制備方法，其特征在于，步驟(c)中，S
8.根據權利要求2所述的基于苯并咪唑小分子的質子交換復合膜的制備方法，其特征在于，步驟(c)中，極性溶劑為二甲基亞砜。
9.一種根據權利要求1所述的基于苯并咪唑小分子的質子交換復合膜的應用，其特征在于，基于苯并咪唑小分子的質子交換復合膜應用于電解水。
...【技術特征摘要】
1.一種基于苯并咪唑小分子的質子交換復合膜，其特征在于，所述質子交換復合膜的結構式如下式所示：
2.一種根據權利要求1所述的基于苯并咪唑小分子的質子交換復合膜的制備方法，其特征在于，所述制備方法步驟如下：
3.根據權利要求2所述的基于苯并咪唑小分子的質子交換復合膜的制備方法，其特征在于，步驟(a)中，5-磺基水楊酸鈉二水合物和3,3’-二氨基聯苯胺的摩爾比大于2:1。
4.根據權利要求2所述的基于苯并咪唑小分子的質子交換復合膜的制備方法，其特征在于，步驟(a)中，多聚磷酸的用量大于單體總質量的10倍。
5.根據權利要求2所述的基于苯并咪唑小分子的質子交換復合膜的制備方法，其特征在于，步驟(a)中，5，5'-雙...
【專利技術屬性】
技術研發人員：林本才，楊沁武，鮑煦文，黃凱，李慧慧，吳娟，王恒，
申請(專利權)人：常州大學，
類型：發明
國別省市：
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