一种制备阳离子磺酸基质子传导功能化的非咪唑类离子液体的合成方法，它将1，4丁磺酸内酯与三甲胺水溶液反应，反应结束后的白色固体与硫酸溶液反应，得到淡黄色粘稠液体，该离子液体由于阳离子引入了具备质子传导，具有相对较高的质子电导，以上结论可以通过交流阻抗证实。将上述离子液体担载到PVDF膜中做单电池实验，结果表明利用上述离子液体作为电解质的离子液体，其性能也获得明显提高。本发明专利技术的合成方法的特点是合成的离子液体的阴阳离子均具备质子传导功能，因而这种离子液体的质子电导得到一定程度提高，进而可以提高以这种离子液体为电解质的质子交换膜燃料电池(PEMFC)的电池性能。
【技术实现步骤摘要】
1.
本专利技术涉及离子液体合成。2.
技术介绍
离子液体是一类熔点接近室温的盐(参见：Fernicola，A.；Scrosati，B.；Ohno，H.，Potentialities of ionic liquids as new electrolyte media in advanced electrochemical devices.Ionics 2006，12(2)，95-102.)。这类盐通常由体积较大且对称性较差的阳离子和体积相对较小而对称性良好的阴离子构成。具有电导高、蒸汽压低以及溶解能力强等特点，被认为是一种可替代传统挥发性溶剂的绿色化学反应介质。随着对离子液体认识的逐渐深入探索，其应用已远超过当初的绿色化学范畴，在电解、太阳电池、催化剂领域甚至医学领域都存在巨大的应用前景。近年来，离子液体作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的替代电解质的研究引起来极大兴趣(Ye，H.，et al.″New membranes based on ionic liquids for PEM fuel cells at elevated temperatures.″Journal of Power Sources 17g，.2(2008)：651-660.)，这主要是因为PEMFC的传统电解质膜-NAfion膜价格高昂，高度依赖水分等缺点。但是以离子液体为电解质的燃料电池的性能普遍很低，一般最大功率密度只有1mW cm-2左右(Sekhon，S.S.，et al.″Physicochemical properties of proton conducting membranes based on ionic liquid impregnated polymer for fuel cells.″Journal of Materials Chemistry 16，23(2006)：2256-2265.)。对于此种现象，很多研究者也提出了很多解释，例如有人认为是电池结构不合理，也有人提出是现有的测试设备不适合离子液体的PEMFC，还有人认为虽然离子液体虽然具有较高的电导，但是因为离子液体复合膜的电导相对较低，导致电池性能低下。我们研究组发现目前研究较多的咪唑类离子液体由于毒化燃料电池的Pt/C催化剂，很可能是导致电池性能低下的重要原因之一，因而提出了采用非咪唑类离子液体作为PEMFC电解质的设想，实验结果表明电池性能得到大幅提高，最高功率密度可以达到60mW cm-2以上。虽然如此，该功率密度还是相对降低，有必要设法进一步提高电池性能。在以往的研究中，研究者关注较多的是离子液体的电导，而很少注意对PEMFC来说更为重要的一个参数，那就是质子电导。我们认为这是不合理的，因为离子液体的电导可能来自与多种离子的贡献，而只有质子的电导对PEMFC来说才是有效的电导，因而通过提高质子电导，很有可能是一种提高PEMFC性能的有效手段之一。本专利的目的便是提出一种提高质子电导的离子液体，以期提高以这类离子液体为电解质的燃料电池的电池性能。由于磺酸根是公认的质子传导基团，因而本文向阳离子引入该基团以达到上述目的。3
技术实现思路
本专利技术目的在于开发一种低成本、操作简便、质子电导更高的阳离子磺酸根功能化的离子液体以作为PEMFC的电解质。本专利技术通过以下方式实现。一种阳离子磺酸化的非咪唑类离子液体的合成方法，它包括以下步骤：步骤1.将1，4丁磺酸内酯与三甲胺水溶液在50-80℃的水域中反应4-8小时，将水分蒸除后，得到白色固体-N，N，N三甲基丁磺酸铵([N1114SO3]，这也是一种离子液体，但熔点过高，不适于做PEMFC的电解质。步骤2.将步骤1得到的产物与酸(HY)溶液反应。加入酸溶液后的体系搅拌2小时，得到离子液体[N1114SO3H]Y的水溶液，将此溶液中的水采用旋转蒸发仪蒸除后，在真空干燥箱中120℃干燥24小时后得到最终产物。上述的离子液体的合成方法，步骤1中所述的1，4丁磺酸内酯的主要作用为引入磺酸根。上述的离子液体的合成方法，步骤2中所述的酸为阴离子可以接受质子的酸，如磷酸、硝酸、硫酸、醋酸等。上述离子液体的合成方法中，步骤1中所述的1，4丁磺酸内酯与三甲胺的比例为1∶1～1∶1.5。利用磺酸酯与胺易于反应的特点，并利用磺酸酯中的具有质子传导功能的磺酸基，从而获得阳离子磺酸功能化的中间产物。将该产物与含有质子传导功能化的阴离子的酸反应，获得阳离子质子传导功能化的离子液体。以该离子液体为电解质做交流阻抗实验，以测定其中的质子在不同温度下的扩散系数。将上述离子液体担载于PVDF膜上，与催化层一起组成膜电极组件(MEA)，将该MEA夹在刻有蛇形流到的石墨电池夹具之间，构成单电池，在多通道电子负载上逐渐增大电池放点电流，记录其电压的变化情况，测试其放电性能。合成过程及其主要原理见说明书附图(以[N1114SO3H]HSO4为例)，上述离子液体的合成方法的特点是反应条件温，无需加热、加压等条件，易于实施。合成过程中的溶剂绿色无污染。与已有的PEMFC电解质用离子液体具有以下明显优点：该离子液体为非咪唑类离子液体，避免了咪唑类离子液体对PEMFC Pt/C欧诺个能的毒化。另外，该离子液体中阳离子具有质子传导功能化的磺酸基团，阴离子则为具有质子传导功能的硫酸氢根，因此，本专利提供的离子液体是阴阳离子液体双功能化的离子液体，因而具有更高的质子电导，且电池实验表明，采用该离子液体作为电解质的PEMFC，其电池性能相对以其他离子液体为电解质的PEMFC有很大程度的提高。4附图说明图.1是本专利中离子液体的合成路线图。5具体实施方式以下给出本专利技术的3个最佳实施例。实施例一：N，N，N三甲基丁磺酸磷酸二氢盐([N1114SO3H]H2PO4)合成(1)在单口烧瓶中加入0.1mol 1，4丁磺酸内酯，随后加入含有0.11mol的三甲胺溶液，加完后在70℃水浴中加热搅拌3小时左右，得无色透明离子液体的水溶液。(2)将上述溶液中的大量水蒸干后，得到白色固体，作为本合成过程中的中间产物。(3)向该溶液中加入等摩尔H3PO4，搅拌均匀，得无色透明液体。将该液体在旋转蒸发器中蒸发除去大部分水分，得到淡黄色粘稠液体，将该液体真空干燥，即可得到更为粘稠的淡黄色液体，即为产物。实施例二：N，N，N三甲基丁磺酸硫酸氢盐([N1114SO3H]HSO4)合成(1)在单口烧瓶中加入0.1mol 1，4丁磺酸内酯，随后加入含有0.11本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于质子交换膜燃料电池电解质的阳离子磺酸根功能化的离子液体 其特征在于： 利用‑SO3H的高质子电导能力，将该基团引入阳离子，获得高质子电导的离子液体，从而用作质子交换膜燃料电池的电解质。
【技术特征摘要】
1.一种用于质子交换膜燃料电池电解质的阳离子磺酸根功能化的离子液体
其特征在于：
利用-SO3H的高质子电导能力，将该基团引入阳离子，获得高质子电导的离子液体，从而用作质子交换膜燃料电池的电解质。
2.如权利要求1所述，合成的步...
【专利技术属性】
技术研发人员：高建，徐敏楠，匡雨静，谭小耀，初园园，卢素敏，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。