物质组合物，其包括聚合物网络，该聚合物网络包含硅原子和氧原子，及第一有机侧链，该有机侧链被连接到聚合物网络内的至少一些硅原子上，该有机侧链包含柔性连接基和端基，该端基包含至少一个提供一对孤对电子的原子。该物质组合物可被用于形成质子传导膜。在阐明性实施例中，所述聚合物网络为有机－无机复合网络，且端基可以含有含氮杂环。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及质子传导材料(proton conducting material)，更具体涉及燃料电池用质子电解质膜(PEMs，proton electrolyte membranes)。
技术介绍
质子电解质膜(PEMs)是用于燃料电池、烃燃料的重整/部分氧化、氢分离/纯化、污染物去除、气体感测(gas sensing)以及其它与能量存贮和转化相关过程的关键组成部分。在100至200℃的温度范围内，具有高的质子传导率(＞0.01S/cm)，而对湿度的依赖性很低或没有的膜，对于生产新型PEM燃料电池非常关键，该新型燃料电池具有更高的能量效率和阳极催化剂抗一氧化碳中毒的耐力。然而，传统的全氟磺基聚合物，例如Nafion(高氟化树脂)，具有严重的缺点，包括在低湿度和较高温度范围内较差的质子传导率，在不同湿度下的尺寸改变，燃料透过(fuel crossover)，高成本以及差的亲水性。在所有最近几年发展的质子传导膜中，聚苯并咪唑(PBI)-H3PO4膜具有最好的性能。PBI-H3PO4膜在高于150℃下具有高的质子传导率(在10％相对湿度气氛中＞10-2S/cm)、优良的机械性能以及高的热稳定性(J Electrochem Soc 1995，Vol.142，p.L121)。然而，PBI-H3PO4膜已被报道，在无水状态下具有非常低的质子传导率(在低于160℃下小于1×10-4S/cm)(Solid State Ion.2002，vol.147，p.181和Prog.Polym.Sci.2000，vol.25，p.1463)。它们的质子传导率也依赖于水，因此它们在电化学装置中的应用有限。例如，它们仅仅当燃料电池在操作中能够产生大量水的时候，可以被用作燃料电池中的PEM电解质。另外，H3PO4容易从这样的纯有机聚合物膜中流失，特别是当H3PO4含量高时。同样，当H3PO4含量太高时，其机械性能下降。因此，在低湿度下具有高质子传导率、具有致密结构(densestructure)及良好机械性能的新型电解质膜的开发仍然是成功开发高温PEM燃料电池及其它电化学装置的关键所在。传统的材料在Jacob等的美国专利申请公开号200O/0144450，Kerres的国际专利申请号WO01/83092和WO01/84657，和Armand等的美国专利号5,283,310，Akita等的6,214,060以及Kreuer等的6,264,857中被予以描述。专利技术概述物质组合物，其包括聚合物网络，该聚合物网络包含硅原子和氧原子、第一有机侧链，该有机侧链被连接到聚合物网络内的至少一些硅原子上，该有机侧链包括柔性连接基和端基，该端基包含提供一对孤对电子的至少一个原子。所述物质组合物可用于形成质子传导膜。在示例性实施例中，该聚合物网络可为有机-无机复合网络，并且端基可包含含氮杂环。附图简述附图说明图1表示合成2-三乙氧基甲硅烷基丙基硫甲基-1H-苯并咪唑(BISSi)的合成方案；图2表示合成2--1H-咪唑(ImSSi)的合成方案；图3表示合成2-((3-三乙氧基甲硅烷基丙基)硫代)-1H-咪唑(ImSSib)的合成方案；图4表示合成2-甲基二乙氧基甲硅烷基-丙基硫甲基-1H-苯并咪唑的合成方案；图5表示膜内质子传递的示意图；图6表示两种无机-有机复合膜的31P NMR光谱，其组成为(A)2M-3T-1 BiSSi-3P和(B)2M-2Oc-1T-1ImSSi-5P；图7A表示在干燥空气中获得(加热速率5℃/min)的三种样品2M-3 T-1 BI-x P(x＝0，3和5)的TGA和DSC曲线；图7B表示在干燥氩气中获得的样品2 M-3 T-1 BI-x P的质子传导率，其中x＝3，5和7；图8A表示在干燥空气中获得(加热速率5℃/min)的两种样品2 M-3 T-1 Im-x P，x＝3和5的TGA曲线；图8B表示在干燥氩气中获得的两种杆品2 M-3 T-1 Im-x P，x＝3和5的质子传导率；图9表示在干燥空气中，5℃/min的加热速率下测定的几种膜的TGA曲线；图10表示2 M-3 T-x ImSSi(ImSSib)-y P(x＝0，y＝5；x＝1，y＝3，5和7)在无水状态的质子传导率；图11表示2 M-3 T-x BISSi-y P(x＝1，y＝3，5和7；及x＝2和3，y＝5)在无水状态的质子传导率；图12表示2M-2O(或B)-1 T-1 BISSi-x P(x＝4和6)在饱和MgCl2水溶液蒸汽中的质子传导率；图13表示在100℃和130℃、环境压力下，2M-3T-1BISSi-7P的电池电压和功率密度与电流密度的关系(在室温下H2/O2与水蒸气鼓泡)；图14表示OxImSSi的FTIR光谱；图15表示含有OxImSSi的新型膜与含有ImSSi的新型膜的TGA曲线比较，在干燥空气中使用5℃/min的速率；图16表示2 MDSPPO-3 TEOS-1 OxISSi-5H3PO4和2MDSPPO-3TEOS-1 ImSSi-5 H3PO4在无水状态的质子传导率；图17表示2 MDSPPO-2 BTESO-1 TEOS-1 OxImSSi-5 H3PO4和2MDSPPO-2 BTESO-1 TEOS-1 ImSSi-5 H3PO4在MgCl2饱和水溶液蒸汽中的质子传导率，计算的相对湿度在80℃下为大约26％，在100℃下为22％；图18表示接枝-SO3H和苯并咪唑环的膜的分子结构；图19表示在干燥空气中，加热速率为5℃/min所测定的TGA曲线；图20表示1M-2Oc-4S-4B在不同相对湿度(RH)的环境下的质子传导率；和图21表示样品2M-2Oc-4S-2BI的质子传导率与相对湿度和温度的相关性。详细描述用简单的溶胶-凝胶法制备新型质子传导膜。咪唑环被连接到接枝在有机-无机共聚物网络上的柔性支链上，允许咪唑环具有高度的局部活动性(local motion)。无机Si-O-Si网络可吸收膜中大量的H3PO4。该膜具有优良的质子传递(proton transport)特征。在一个方法中，硅烷前体(silane precursor)被合成，其中端基通过柔性连接基被柔性地连接到硅烷基上。前体的合成合成以咪唑环为封端的烷氧基硅烷衍生物。通过简单的亲核取代反应，咪唑环被连接到烷氧基硅烷上，如文献所述，例如T.Hamaguchi等著的Bioorg.Med.Chem.Lett.，10，2657(2000)；J.F.Patoiseau等的美国专利5,0914,15。亲核取代反应可发生在含烷氧基甲硅烷基化学品和含咪唑环化学品之间，所述两类化学品分别含有-SH和-X(X＝Cl，Br和I)活性基团。该反应在从室温到90℃下均可发生，使用KOH，CH3CH2OK或K2CO3作催化剂。通过简单的亲核加成反应或亲核取代反应，可以从商业可得的化学品，合成前体。下面提供了很多示例性实施例。实施例1a2-三甲氧基甲硅烷基丙基硫甲基-1H-苯并咪唑的合成 在带有冷凝器和氩气管的三口烧瓶中，将0.01摩尔2-(氯甲基)苯并咪唑通过搅拌溶解于25ml甲醇中。将0.01摩尔3-巯丙基三甲氧基硅烷加入上述溶液中，搅拌10分钟，然后逐滴加入溶解于10ml甲本文档来自技高网...
【技术保护点】
质子传导膜，其包括一种物质，该物质由至少第一硅烷和第二硅烷的共聚合反应而形成，所述第一硅烷包括第一硅烷基、端基和连接基，该连接基将端基连接到所述第一硅烷基上，所述第一端基包含提供一对孤对电子的至少一个原子。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：S李，M刘，Q孙，W李，
申请(专利权)人：美国丰田技术中心公司，佐治亚技术研究公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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