离子传导聚合物及其制备方法、阴离子交换膜及其应用与流程

本申请涉及电化学，具体而言，涉及一种离子传导聚合物及其制备方法、阴离子交换膜及其应用。

背景技术：

1、阴离子交换膜是一类含有碱性活性基团、对阴离子具有选择透过性的高分子聚合物膜，也称为离子选择透过性膜。阴离子交换膜在电解、电渗析、燃料电池、液流电池等电化学技术领域中扮演着重要角色。

2、阴离子交换膜的应用主要受到阴离子交换膜的电化学性能和使用寿命的影响；其中，阴离子交换膜的使用寿命主要受到阴离子交换膜的溶胀率和力学强度的影响。但是，现有的阴离子交换膜无法兼具较好的电化学性能（例如，较低的离子导率等）、较高的力学强度以及较低的溶胀率，使得阴离子交换膜无法满足科技不断发展对其的更高要求，极大程度地限制了阴离子交换膜的应用。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种离子传导聚合物及其制备方法、阴离子交换膜及其应用，其旨在改善现有的阴离子交换膜的电化学性能和使用寿命，使得阴离子交换膜兼具较高的离子导率、较低的溶胀率以及较高的力学强度。

2、第一方面，本申请提供了一种离子传导聚合物，离子传导聚合物的表达通式为：am-bn-cp，离子传导聚合物的结构式如下：

3、。

4、其中，m≥0，n＞0，p＞0，q≥1；s为1且t为0，r5为含有盐类单元的基团，r6为氢原子，或，s为0且t为1，r5为氢原子，r6为含有盐类单元的基团；ar1、ar2以及ar3各自独立地选自取代或未取代的芳基；r1选自取代或未取代的烷基、取代或未取代的芳基；r2为含有氟原子的基团；r3以及r4各自独立地选自取代或未取代的烷基、取代或未取代的芳基、；a≥1；b为1且c为0，r8为含有盐类单元的基团，r9为氢原子，或，b为0且c为1，r8为氢原子，r9为含有盐类单元的基团；r7以及r10均为卤素原子；x1中含有卤素原子、对甲苯磺酰氧基、三氟甲磺酸基以及甲磺酰氧基中的至少一种。

5、本申请通过对离子传导聚合物的主链结构上连接的侧链单元进行调控，使得侧链单元含有乙基重复单元以及与乙基重复单元连接的盐类单元，采用该离子传导聚合物制备阴离子交换膜，不仅可以提高阴离子交换膜的离子导率，使得阴离子交换膜具有较好的电化学性；还可以降低阴离子交换膜的溶胀率以及提高阴离子交换膜的力学强度，使得阴离子交换膜具有较长的使用寿命，有利于极大程度地扩宽阴离子交换膜的应用范围。

6、第二方面，本申请提供了一种离子传导聚合物的制备方法，该制备方法包括：在第一催化剂的存在下，将第一组分以及第二组分进行共聚反应；然后向共聚反应后的体系中加入第三组分，进行成盐反应。第一催化剂包括三氟甲磺酸、三氟乙酸、浓硫酸、对甲苯磺酸、五氟乙磺酸、七氟-1-丙磺酸、全氟丙酸、七氟丁酸以及磷钨酸中的至少一种；第一组分包括取代或未取代的芳香化合物；第二组分包括第一单体，或，第二组分包括第一单体、第二单体以及第三单体；第一单体的结构式如下：；第二单体的结构式如下：；第三单体的结构式如下：；其中，r1选自取代或未取代的烷基、取代或未取代的芳基；r2为含有氟原子的基团；x1以及x3各自独立地选自含有卤素原子的基团、含有对甲苯磺酰氧基的基团、含有三氟甲磺酸基的基团以及含有甲磺酰氧基的基团中的至少一种；r16以及r18各自独立地选自取代或未取代的烷基、取代或未取代的芳基，或，r16以及r18各自独立地选自含有卤素原子的基团、含有对甲苯磺酰氧基的基团、含有三氟甲磺酸基的基团以及含有甲磺酰氧基的基团中的至少一种；第三组分的结构式如下：；其中，r17为含有盐类单元的基团。

7、第三方面，本申请提供了一种阴离子交换膜，该阴离子交换膜的材质包括离子传导聚合物；或，阴离子交换膜包括多孔支撑层和填充于多孔支撑层的孔隙内的填充物，填充物包括无机亲水颗粒以及离子传导聚合物；或，阴离子交换膜包括多孔支撑层和填充于多孔支撑层的孔隙内的填充物，填充物包括离子传导聚合物；或，阴离子交换膜包括无机亲水颗粒以及离子传导聚合物。其中，离子传导聚合物为上述第一方面任一项提供的离子传导聚合物，或离子传导聚合物为采用上述第二方面提供的离子传导聚合物的制备方法制得的离子传导聚合物。

8、第四方面，本申请提供了一种上述第三方面提供的阴离子交换膜在用于制备电解水器件、电渗析器件、燃料电池或电化学储能器件中的应用；电化学储能器件包括液流电池。

技术特征：

1.一种离子传导聚合物，其特征在于，所述离子传导聚合物的表达通式为：am-bn-cp，所述离子传导聚合物的结构式如下：

2.根据权利要求1所述的离子传导聚合物，其特征在于，所述含有盐类单元的基团的结构式如下：

3.根据权利要求2所述的离子传导聚合物，其特征在于，所述带正电的铵基为带正电的环胺基或季铵基；

4.根据权利要求3所述的离子传导聚合物，其特征在于，y为0，z为1，所述带正电的铵基为所述带正电的环胺基；

5.根据权利要求2所述的离子传导聚合物，其特征在于，所述含有盐类单元的基团的结构式如下：

6.根据权利要求1~5中任一项所述的离子传导聚合物，其特征在于，ar1、ar2以及ar3各自独立地选自取代或未取代的苯基、取代或未取代的联苯基、取代或未取代的对三联苯基、取代或未取代的间三联苯基、取代或未取代的邻三联苯基、取代或未取代的对四联苯基、取代或未取代的五联苯基、取代或未取代的芴基、取代或未取代的二甲基芴基、取代或未取代的二乙基芴基、取代或未取代的咔唑基、取代或未取代的蒽基、取代或未取代的菲基、取代或未取代的萘基、取代或未取代的二苯醚基、取代或未取代的二苯硫醚基、取代或未取代的二苯砜基、取代或未取代的二苯亚砜基；

7.根据权利要求1所述的离子传导聚合物，其特征在于，所述离子传导聚合物的结构式如下：

8.一种离子传导聚合物的制备方法，其特征在于，包括：在第一催化剂的存在下，将第一组分以及第二组分进行共聚反应；然后向所述共聚反应后的体系中加入第三组分，进行成盐反应；

9.一种阴离子交换膜，其特征在于，所述阴离子交换膜的材质包括离子传导聚合物；

10.一种如权利要求9所述的阴离子交换膜在用于制备电解水器件、电渗析器件、燃料电池或电化学储能器件中的应用；

技术总结
本申请提供一种离子传导聚合物及其制备方法、阴离子交换膜及其应用，属于电化学技术领域。本申请通过对离子传导聚合物的主链结构上连接的侧链单元进行调控，使得侧链单元含有乙基重复单元以及与乙基重复单元连接的盐类单元，采用该离子传导聚合物制备阴离子交换膜，不仅可以提高阴离子交换膜的离子导率，使得阴离子交换膜具有较好的电化学性；还可以降低阴离子交换膜的溶胀率以及提高阴离子交换膜的力学强度，使得阴离子交换膜具有较长的使用寿命，有利于极大程度地扩宽阴离子交换膜的应用范围。

技术研发人员：陈安琪
受保护的技术使用者：固碳新能源科技（苏州）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29