專利名稱：一種堿性離子聚合物及其制備和應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及堿 性離子聚合物，具體的說是一種可以添加到堿性燃料電池電極催化層中的用作or離子傳導的堿性離子聚合物。
背景技術：
目前APEMFC在工作過程中，通常需要在燃料中添加KOH等堿性溶液作為電解質，以促進0H_離子在陰、陽極催化層中的傳導，造成APEMFC中存在與傳統(tǒng)AFC類似的碳酸鹽問題。為解決這一問題，研究開發(fā)堿性離子聚合物至關重要重要。Varcor采用N，N，N’，N’_四甲基_1，6_己二胺(TMHDA)對聚氯甲基苯乙烯(PVBC)進行交聯(lián)制得了離子聚合物，并將其加入催化層中，在501:時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，其電池性能只有
0.98mff cm—2。研究者將具有高電導率的含季膦基團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200mW.cm—2，但是該類含季膦基團的聚合物溶于甲醇等極性有機溶劑，無法應用于直接醇類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，會減小界面聚合物上堿性基團和催化劑的接觸，降低電池性能。因而，制備一種電導率高、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，是提高直接醇類堿性聚合物陰離子交換膜燃料電池性能、解決碳酸鹽問題的必由之路。本發(fā)明采用含氟材料超細粉末作為基底，使用輻射接枝的方法對其表面季銨化改性，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膜燃料電池中表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種堿性離子聚合物，以克服現(xiàn)有技術中存在的在不添加液體堿作為電解質時，OH—離子在堿性燃料電池催化層中傳導不暢，催化劑利用率低等問題，使堿性陰離子交換膜燃料電池在無堿條件下具有較好的電池性能。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為:—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；其中，季銨化官能團通過氯甲基苯乙烯基接枝到含氟基底材料上，且季銨化官能團為通過堿化反應而得到的具有OH—離子傳導能力的官能團；季銨化官能團通式為
權利要求
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；其中，季銨化官能團通過氯甲基苯乙烯基接枝到含氟基底材料上，且季銨化官能團為通過堿化反應而得到的具有Off離子傳導能力的官能團； 季銨化官能團通式為
2.—種權利要求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在氯甲基苯乙烯上進行接枝反應，接枝反應在惰性氣氛下進行，反應溫度為40°C _80°C，反應時間為10-80小時，反應結束后，使用甲苯對經(jīng)接枝反應的粉末進行清洗，清洗后于50-90°C條件下烘干，得經(jīng)接枝反應制得的粉末； (3)季銨化改性:步驟(2)所得經(jīng)接枝反應制得的粉末浸潤在季銨化試劑中，使用質量濃度為20% -80%的季銨化試劑對步驟(2)所得經(jīng)接枝反應制得的粉末在15°C _60°C進行季銨化處理，處理時間為10-80小時，之后使用去離子水對季銨化處理后的粉末進行沖洗，沖洗后使用濃度為0.l-5mol L-1的HCl對其進行處理，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，使制得的粉末轉變?yōu)镺H-型，過濾洗滌，得堿性離子聚合物。
3.如權利要求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衰變產生的Y射線；劑量率為0.1kGy.IT1-1OkGy.h-1 ;輻射時間為3-15個小時。
5.如權利要求2所述堿性離子聚合物的制備方法，其特征在于:步驟(2)所述接枝反應前，將惰性氣體通入氯甲基苯乙烯中以驅除其中的氧氣；接枝反應過程中，對反應溶液進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、氮氣中的一種或二種以上。
9.一種權利要求1所述堿性離子聚合物的應用，其特征在于:其可作為OH-的傳導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；其中，季銨化官能團通過氯甲基苯乙烯接枝到基底上，且季銨化官能團為通過堿化反應而得到的具有OH-離子傳導能力的官能團。與現(xiàn)有技術相比，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，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峻的碳酸鹽的問題；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C08F8/44GK103172792SQ20111043646
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月22日 優(yōu)先權日2011年12月22日
發(fā)明者孫公權, 柳鶴, 王素力, 姜魯華 申請人:中國科學院大連化學物理研究所