本发明专利技术公开了一种碳量子点改性的阴离子交换膜及其制备方法和应用，采用水热合成法，以柠檬酸和乙二胺为原料，制备碳量子点，以聚砜为聚合物膜基质，通过氯甲基化反应和季铵化反应引入柔性侧链，并对氯甲基化聚砜进行侧链改性，制备得到侧链型碳量子点掺杂改性的聚砜阴离子交换膜；通过调节水热合成的时间与温度，制备改性碳量子点，选择聚砜作为有机高分子主链，利用氯甲基化反应合成具有高活性基团的材料，聚砜主链通过季铵化反应接枝改性碳量子点，并进一步利用三甲胺对其进行完全季铵化，制备得到部分接枝型碳量子点掺杂改性的聚砜阴离子交换膜。砜阴离子交换膜。砜阴离子交换膜。
【技术实现步骤摘要】
一种碳量子点改性的阴离子交换膜及其制备方法和应用
[0001]本专利技术属于离子交换膜
，具体涉及一种碳量子点改性的阴离子交换膜及其制备 方法和应用。
技术介绍
[0002]化石能源消耗带来的环境污染等问题，愈加严重地困扰着我们，当今社会逐步追求绿色 生活来应对所面临的危机，同时，开发新型绿色的清洁能源迫在眉睫。碱性燃料电池(AFCs) 是绿色清洁燃料之一，运行过程中产物仅为水，便于回收处理，且在碱性条件下，反应动力 学快，电极反应效率高，允许使用非贵金属催化剂，大大降低了生产成本，是如今理想的新 型绿色能源。阴离子交换膜作为AFCs的组件之一，能够将OH
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从阳极运输到阴极，是反应 催化剂的支撑体，隔绝燃料和气体。由此可知，AFCs能够平稳运行离不开阴离子交换膜，想 要AFCs具有良好的电池性能，必须持续关注阴离子交换膜的使用性能。阴离子交换膜作为 传输氢氧根离子的介质，必须拥有良好的离子传导性能，同时能够在碱环境下抵御氢氧根离 子的侵蚀，必须具备优异的化学稳定性，使之在AFCs中平稳工作，然而这也正是阴离子交 换膜限制AFCs发展的关键因素。
[0003]为克服上述缺点，已有多种策略被提出可以用于改善阴离子交换膜性能。侧链改性作为 常用的改性方法，可以设计调节分子结构，优化膜内微相分离形态，提高离子传导性能和耐 碱稳定性。Chu等合成两种侧链型阴离子交换膜，即烷基间隔基长度和1,2,3
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三唑基团连结的 侧链型阴离子交换膜，探究有机烷链的长度与有/无三唑基团连结的侧链对膜性能的影响。研 究结果发现，侧链上的三唑基团能够提供更多的水/离子的传输位点。除此以外，侧链型阴离 子交换膜降解取决于侧链的长度，短链阴离子交换膜(含有三唑基团且仅亚甲基连结主链与 功能基团)在高pH环境下发生的SN2取代，而碳氢链长度(n>2和m>4)的阴离子交换膜 1
HNMR测试结果表明仅PPO主链发生水解，表明较长的侧链能够缓解聚合物膜降解。因此 选择合适的侧链来改性AEM可以达到改善阴离子交换膜碱稳定性的效果。
[0004]有机
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无机改性方法结合了不同类型材料自身的优势，能够巧妙设计阴离子交换膜的结 构。许多学者采用二氧化锆、二氧化硅、碳纳米管、石墨烯、氮化碳等无机纳米材料用于制 备离子交换膜，所制备膜表现出优异的力学性能。Wang等采用溶胶凝胶法制备一系列理化性 质稳定且具有Si
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C
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O网络结构的杂化阴离子交换膜，其机械强度为25.37MPa，一定程度上 提升阴离子交换膜的使用性能。碳量子点是一种零维的纳米材料，其内核成球型结构，具有 强烈荧光性质。作为碳纳米材料家族中最小的成员，其尺寸效应、界面效应等十分突出。原 子掺杂、表面功能化、聚合物封端以及核
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壳结构等丰富的碳量子点表面修饰手段，使其成为 制备复合材料的理想原料。
[0005]目前对于侧链改性与有机无机改性相结合，探究无机材料与侧链之间的相互作用的研究 还鲜有报道。为此，本专利采用无毒、稳定的碳量子点作为无机填充材料，以热稳定性好、 机械强度高的聚砜为聚合物膜基质，通过修饰改性，制备一系列碳量子点掺杂的侧
链型阴离子交换离子交换膜。同时，通过对碳量子点进行接枝改性，设计制备一系列部分接枝不同含量碳量子点的聚砜阴离子交换膜，探究接枝刚性无机材料碳量子点对阴离子交换膜性能的影响。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种碳量子点改性的阴离子交换膜，其特征在于，其具有如下所示的重复单元结构：其中黑色球形代表碳量子点，虚线代表氢键。2.权利要求1所述的碳量子点改性的阴离子交换膜的制备方法，包括如下步骤：S1、对聚砜上的苯环进行氯甲基化反应，制备得到氯甲基化聚砜(CMPSf)；S2、对氯甲基化聚砜上的氯甲基进行季铵化反应，制备得到季铵化聚砜(QPSf)；S3、以柠檬酸和乙二胺为原料，利用水热合成法制备碳量子点(CQDs)；S4、将季铵化聚砜、碳量子点在有机溶剂中进行反应，反应产物涂膜后干燥处理，再进行离子交换处理后，得到离子交换膜。3.根据权利要求2所述的一种碳量子点改性的阴离子交换膜的制备方法，其特征在于，对聚砜上的苯环进行氯甲基化反应包括如下步骤：(1)将干燥的聚砜完全溶解在有机溶剂中，搅拌，得到聚砜溶液；(2)将多聚甲醛加入至聚砜溶液中，依次滴加三甲基氯硅烷和无水四氯化锡，在氮气气氛下回流搅拌，得到混合溶液；(3)将混合溶液中加入沉淀剂，过滤，产物洗涤后，真空干燥，得到氯甲基化聚砜；季铵化反应包括如下步骤：将氯甲基化聚砜溶解于有机溶剂中，再加入2
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[2
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(二甲基氨基)乙氧基]乙醇进行反应，获得季铵化聚砜；碳量子点的制备方法包括如下具步骤：将柠檬酸和乙二胺溶解于水中，进行水热反应，产物经纯化、干燥处理后，得到碳量子点。4.根据权利要求3所述的一种碳量子点改性的阴离子交换膜的制备方法，其特征在于，氯甲基化反应中，聚砜、多聚甲醛、三甲基氯硅烷和无水四氯化锡的配比3g：0.5
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1.5g：5
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15mL：0.05
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0.1mL，反应温度30
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50℃，反应时间20
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50h，沉淀剂是乙醇；季铵化反应过程中，氯甲基化聚砜与2
‑
[2
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(二甲基氨基)乙氧基]乙醇的重量比15
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20：1，反应温度30
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50℃，反应时间10
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30h；碳量子点的制备中，柠檬酸与乙二胺的原料配比1g：0.2
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0.5mL，反应温度130
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170℃，反应时间2
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8h；离子交换处理过程中采用0...
【专利技术属性】
技术研发人员：周守勇，李梅生，赵宜江，肖慧芳，张秀，毛恒洋，张艳，杨大伟，彭文博，钟璟，张琪，
申请(专利权)人：淮阴师范学院，
类型：发明
国别省市：
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