一种用于中温质子交换膜中的膦酸基烷氧基硅烷的制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种用于中温质子交换膜中的非水型质子导电单元膦酸基烷氧基硅烷的制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种高效、环境友好的发电装置，在发展绿色环保型汽车中具有巨大的潜在市场。提高质子交换膜燃料电池的工作温度是解决电池水热管理复杂、催化剂中毒的有效措施之一，同时也可以改善阴阳两极尤其是阴极氧气还原反应的动力学，进而提高电池的工作效率。因此，中温PEMFC(100℃～200℃)技术已经成为了当今PEMFC发展的主要方向。但目前广泛采用的全氟磺酸型的质子交换膜必须在有水存在的情况下才具有质子传导能力，而当温度高于100℃时，其导电率大大下降，所以，为了提高PEMFC的工作温度，必须制备出不完全依靠水导电的新型质子交换膜。
磷酸是一种具有强吸湿性、高沸点的中强质子酸，其质子的传递可以在磷酸分子和水分子之间或者磷酸分子之间进行，所以其本身具有很高的质子导电能力和自电离性能，可以在非水条件下导电。磷酸作为磷酸燃料电池的液体电解质，在磷酸燃料电池150～200℃左右的工作温度时，仍具有较高的质子导电能力。所以，以磷酸来作为中温质子交换膜的质子导电单元是一个较好的选择。国内外许多研究者将磷酸掺入耐高温的高分子母体材料中制备了中温质子交换膜，如磷酸掺杂的聚苯并咪唑(PBI)质子交换膜，但是由于磷酸很难与高分子母体材料形成化学键和，从而掺杂量有限，而高掺杂量时，膜的力学强度也会下降，并且在使用过程中会随水流失，从而影响燃料电池的长期性能。因此，如何将非水质子传导单元锚固在高分子基体上应该是这类中温质子交换膜下一步的研究重点。
最近，国外选用聚有机硅氧有机-无机杂化材料作为中温质子交换膜的母体材料的研究较多。日本名古屋大学的研究者(Electrochimica Acta.，2007，52，5924)采用膦乙酸、羟乙基膦酸等作为有机-无机杂化母体材料的质子传导单元，GPTS作母体材料，欲通过磷酸的羟基与GPTS的环氧基团开环键和制备质子交换膜，但结果表明该方法键和的磷酸太少。美国佐治亚理工大学(J.Mater.Chem.，2006，16，858)通过二乙氧基膦酸乙基三乙氧基硅烷水解得到膦酸乙基三乙氧基硅烷，然后与其他各种硅烷作为溶胶-凝胶的前驱体制备的中温质子交换膜具有较高的电导率。上述研究表明：与膦乙酸和羟乙基磷酸作非水型质子传导单元相比，膦酸基烷氧基硅烷更易与聚有机硅氧有机-无机杂化母体材料通过水解-缩合形成化学键和。但是目前膦酸基烷氧基硅烷的制备方法报道较少，且国内还没有膦酸基烷氧基硅烷相关化学产品及其制备方法的报道。
硅氢加成反应是含Si-H键的有机硅化合物与不饱和化合物在一定条件下进行的加成反应，该反应的反应条件温和、产率高，它作为一项技术被广泛用于许多工业过程，制备一系列含不同官能团的有机硅单体，具有重要的工业应用价值。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种用于中温质子交换膜中的膦酸基烷氧基硅烷的制备方法。该制备方法通过硅氢化反应制备膦酸基烷氧基硅烷，室温下即可发生反应，反应温度低，速度快，产物收率高，副反应少。
为解决本发明提出的技术问题，本发明提供的技术方案是：
一种用于中温质子交换膜中的膦酸基烷氧基硅烷的制备方法，其特征在于：它由烯基磷酸和含氢硅氧烷在催化剂乙酰丙酮铂的作用下通过硅氢加成反应制备得到。
制备步骤为：
1)按照含氢硅氧烷∶烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶溶剂的摩尔比＝(1.5～2.5)∶(1.5～2.5)∶(1.5×10-3～2.5×10-3)∶(10～20)准备原料；
2)在氮气保护下，于装有电磁搅拌装置且预先烘烤干燥的反应器中加入含氢硅氧烷、乙酰丙酮铂，然后于紫外光下照射，同时搅拌10～20分钟；
3)将烯基膦酸用溶剂配成溶液，在氮气保护和室温水浴冷却下，将其滴加到反应器中，然后继续反应1.0～1.5小时；
4)在步骤3)反应后的溶液中加入活性炭，过滤除去催化剂乙酰丙酮铂，然后旋转蒸除溶剂，得到淡黄色透明粘稠液体；
5)真空干燥，得到膦酸基烷氧基硅烷产品。
按上述方案，所述的含氢硅氧烷为三乙氧基氢硅烷或三甲氧基氢硅烷。
按上述方案，所述的乙酰丙酮铂颗粒的粒度小于20μm。
按上述方案，所述的烯基膦酸为三氟乙烯基膦酸、苯乙烯基膦酸、乙烯基膦酸、异丙烯基膦酸中的任何一种。
按上述方案，所述的溶剂为无水乙醇、无水甲醇、异丙醇、甲苯中的任何一种。
本发明采用不同的烯基膦酸与不同的含氢硅氧烷作原料，通过硅氢化反应成功制备了多种膦酸基烷氧基硅烷。该膦酸基烷氧基硅烷作为中温质子交换膜的质子传导单元，与其他烷氧基硅烷作前驱体进行溶胶-凝胶时，可以与有机聚硅氧烷网络中的硅氧形成化学键，从而避免其在使用过程中地流失。
本发明与现有方法比较具有如下的优点：
1)本方法制备膦酸基烷氧基硅烷，室温下即可发生反应，反应温度低(为室温)，速度快(本发明只需1.0～1.5小时)，产物收率高(见表1，总产率≥95.78％)，副反应少(见表1，副产物≤4.22％)。
2)本方法选择不同的烯基膦酸作原料可以制备得到多种膦酸基烷氧基硅烷。
【具体实施方式】
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
下述实施例中所用的原料均为分析纯，纯度大于98wt％，乙酰丙酮铂颗粒的粒度小于20μm。
实施例1
按照三甲氧基氢硅氧烷∶乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶甲醇的摩尔比为1.5∶1.5∶1.5×10-3∶20称取原料。在氮气保护下，于装有电磁搅拌的预先烘烤干燥的三口烧瓶中加入准确计量的三甲氧基氢硅烷、乙酰丙酮铂，于紫外光下照射，同时搅拌10分钟；将乙烯基膦酸用甲醇配成溶液，于氮气保护和室温水浴冷却下，将其滴加到反应器中，然后继续反应1.0小时；加入活性炭，搅拌10分钟，过滤除去催化剂乙酰丙酮铂，然后旋转蒸除溶剂，得到淡黄色透明粘稠液体；130℃真空干燥1.0小时，得到膦酸乙基三甲氧基硅烷产品。其气相色谱测试结果见表1。
实施例2
按照三乙氧基氢硅烷∶苯乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶甲苯的摩尔比为1.5∶2.5∶1.5×10-3∶20称取原料。在氮气保护下，于装有电磁搅拌的预先烘烤干燥的三口烧瓶中加入准确计量的三甲氧基氢硅烷、乙酰丙酮铂，于紫外光下照射，同时搅拌10分钟；将苯乙烯基膦酸用甲苯配成溶液，于氮气保护和室温水浴冷却下，将其滴加到反应器中，然后继续反应1.5小时；加入活性炭，搅拌10分钟，过滤除去催化剂乙酰丙酮铂，然后旋转蒸除溶剂，得到淡黄色透明粘稠液体；150℃真空干燥2.0小时，得到膦酸苯乙基三乙氧基硅烷产品。其气相色谱测试结果见表1。
实施例3
按照三乙氧基氢硅氧烷∶三氟乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶乙醇的摩尔比为2.5∶1.5∶2.5×10-3∶15称取原料。在氮气保护下，于装有电磁搅拌的预先烘烤干燥的三口烧瓶中加入准确计量的三乙氧基氢硅烷、乙酰丙酮铂，于紫外光下照射，同时搅拌20分钟；将三氟乙烯基膦酸用乙醇配成溶液，于氮气保护和室温水浴冷却下，将其滴加到反应器中，然后继续反应1.5小时；加入活性炭，搅拌20分钟，过滤除去催化剂乙酰丙酮铂，然后旋转蒸除溶剂，得到淡黄色透明粘稠液体；130℃真空干燥1.5小时，得到膦酸三氟乙基三乙氧基硅烷产品。其气相色谱测试结果见表1。
实施例4
按照三乙氧基氢硅烷∶异丙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶乙醇的摩尔比为1.5∶1.5∶1.5×10-3∶10称取原料。在氮气保护下，于装有电磁搅拌的预先烘烤干燥的三口烧瓶中加入准确计量的三乙氧基氢硅烷、乙酰丙酮铂，于紫外光下照射，同时搅拌15分钟；将异丙烯基膦酸用乙醇配成溶液，于氮气保护和室温水浴冷却下，将其滴加到反应器中，然后继续反应1.0小时；加入活性炭，搅拌15分钟，过滤除去催化剂乙酰丙酮铂，然后旋转蒸除溶剂，得到淡黄色透明粘稠液体；130℃真空干燥1.5小时，得到膦酸异丙基三乙氧基硅烷产品。其气相色谱测试结果见表1。
实施例5-11
实施例号 原料的配比 实施例5 三乙氧基氢硅烷∶苯乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶甲醇的摩尔比 ＝1.5∶1.5∶1.5×10-3∶20
实施例号 原料的配比 实施例6 三乙氧基氢硅烷∶三氟乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶甲醇的摩尔比 ＝1.5∶1.5∶1.5×10-3∶20 实施例7 三乙氧基氢硅烷∶异丙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶甲醇的摩尔比 ＝1.5∶1.5∶1.5×10-3∶20 实施例8 三乙氧基氢硅氧烷∶乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶甲醇摩尔比 ＝1.5∶1.5∶1.5×10-3∶20 实施例9 三甲氧基氢硅烷∶苯乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶甲醇摩尔比 ＝1.5∶1.5∶1.5×10-3∶20 实施例10 三甲氧基氢硅氧烷∶三氟乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶甲醇摩尔比 ＝1.5∶1.5∶1.5×10-3∶20 实施例11 三甲氧基氢硅烷∶异丙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶甲醇摩尔比 ＝1.5∶1.5∶1.5×10-3∶20
按上表中各原料的配比选取原料，参照实施例1中的实验方法，实施例5-11可分别制备得到膦酸苯乙基三乙氧基硅烷、膦酸三氟乙基三乙基硅烷、膦酸异丙基三乙基硅烷、膦酸乙基三乙氧基氢硅氧烷、膦酸苯乙基三甲氧基硅烷、膦酸三氟乙基三甲氧基硅烷、膦酸异丙基三甲氧基硅烷。
实施例12-18
实施例 原料的配比 实施例12 三甲氧基氢硅烷∶乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶甲苯的摩尔比 ＝1.5∶2.5∶1.5×10-3∶20
实施例 原料的配比 实施例13 三乙氧基氢硅烷∶三氟乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶甲苯的摩尔比 ＝1.5∶2.5∶1.5×10-3∶20 实施例14 三乙氧基氢硅烷∶异丙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶甲苯的摩尔比 ＝1.5∶2.5∶1.5×10-3∶20 实施例15 三乙氧基氢硅氧烷∶乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶甲苯的摩尔比 ＝1.5∶2.5∶1.5×10-3∶20 实施例16 三甲氧基氢硅烷∶苯乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶甲苯的摩尔比 ＝1.5∶2.5∶1.5×10-3∶20 实施例17 三甲氧基氢硅氧烷∶三氟乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶甲苯的摩尔比 ＝1.5∶2.5∶1.5×10-3∶20 实施例18 三甲氧基氢硅烷∶异丙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶甲苯的摩尔比 ＝1.5∶2.5∶1.5×10-3∶20
按上表中各原料的配比选取原料，参照实施例2中的实验方法，实施例12-18即可分别制备的得到膦酸乙基三甲氧基氢硅氧烷、膦酸三氟乙基三乙氧基硅烷、膦酸异丙基三乙氧基硅烷、膦酸乙基三乙氧基氢硅氧烷、膦酸苯乙基三甲氧基硅烷、膦酸三氟乙基三甲氧基硅烷、膦酸异丙基三甲氧基硅烷。
实施例19-25
实施例 原料的配比 实施例19 三甲氧基氢硅氧烷∶乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶乙醇的摩尔比 ＝2.5∶1.5∶2.5×10-3∶15
实施例 原料的配比 实施例20 三乙氧基氢硅氧烷∶苯乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶乙醇的摩尔比 ＝2.5∶1.5∶2.5×10-3∶15 实施例21 三乙氧基氢硅氧烷∶异丙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶乙醇的摩尔比 ＝2.5∶1.5∶2.5×10-3∶15 实施例22 三乙氧基氢硅氧烷∶乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶乙醇的摩尔比 ＝2.5∶1.5∶2.5×10-3∶15 实施例23 三甲氧基氢硅烷∶苯乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶乙醇的摩尔比 ＝2.5∶1.5∶2.5×10-3∶15 实施例24 三甲氧基氢硅氧烷∶三氟乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶乙醇的摩尔比 ＝2.5∶1.5∶2.5×10-3∶15 实施例25 三甲氧基氢硅烷∶异丙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶乙醇的摩尔比 ＝2.5∶1.5∶2.5×10-3∶15
按上表中各原料的配比选取原料，参照实施例3中的实验方法，实施例19-25即可分别制备得到膦酸乙基三甲氧基氢硅氧烷、膦酸苯乙基三乙氧基硅烷、膦酸异丙基三乙氧基硅烷、膦酸乙基三乙氧基氢硅氧烷、膦酸苯乙基三甲氧基硅烷、膦酸三氟乙基三甲氧基硅烷、膦酸异丙基三甲氧基硅烷。
实施例26-32
实施例 原料的配比 实施例26 三甲氧基氢硅烷∶乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶乙醇的摩尔比 ＝1.5∶1.5∶1.5×10-3∶10
实施例 原料的配比 实施例27 三乙氧基氢硅烷∶苯乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶乙醇的摩尔比 ＝1.5∶1.5∶1.5×10-3∶10 实施例28 三乙氧基氢硅烷∶三氟乙烯酸∶乙酰丙酮铂∶乙醇的摩尔比 ＝1.5∶1.5∶1.5×10-3∶10 实施例29 三乙氧基氢硅氧烷∶乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶乙醇的摩尔比 ＝1.5∶1.5∶1.5×10-3∶10 实施例30 三甲氧基氢硅烷∶苯乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶乙醇的摩尔比 ＝1.5∶1.5∶1.5×10-3∶10 实施例31 三甲氧基氢硅氧烷∶三氟乙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶乙醇的摩尔比 ＝1.5∶1.5∶1.5×10-3∶10 实施例32 三甲氧基氢硅烷∶异丙烯基膦酸∶乙酰丙酮铂∶乙醇的摩尔比 ＝1.5∶1.5∶1.5×10-3∶10
按上表中各原料的配比选取原料，参照实施例4中的实验方法，实施例26-32即可分别制备得到膦酸乙基三甲氧基氢硅氧烷、膦酸苯乙基三乙氧基硅烷、膦酸三氟乙基三乙氧基硅烷、膦酸乙基三乙氧基氢硅氧烷、膦酸苯乙基三甲氧基硅烷、膦酸三氟乙基三甲氧基硅烷、膦酸异丙基三甲氧基硅烷。
表1不同实验方法制备的膦酸基烷氧基硅烷的气相色谱测试结果
表1说明了：本发明的产物收率高，副反应少。
应用：
将实施例1制备得到的膦酸乙基三甲氧基硅烷作原料用于制备中温质子交换膜，制备步骤为：
1)溶胶的制备：按照各原料γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷∶2-(3，4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷∶膦酸乙基三甲氧基硅烷的摩尔比为1.0∶1.0∶1.5，选取原料，加入反应器中，然后加入与GPTMS摩尔比为7.0的甲醇，再加入与GPTMS摩尔比为5.0的去离子水，室温搅拌24小时，得稳定清澈的溶胶；
2)凝胶膜的制备：将步骤1)得到的溶胶溶液倒入聚四氟乙烯模盘中，盖上铝箔，然后放入烘箱，在65～70℃凝胶化即脱水脱醇12小时，至溶胶溶液变得粘稠时，再去掉铝箔，继续凝胶化45分钟，得到无宏观裂纹的凝胶膜；
3)干燥：将步骤2)得到的无宏观裂纹的凝胶膜130℃真空干燥1～2小时，得有机聚硅氧烷膦酸基中温质子交换膜。
其基本物理性能测试结果列于表2。
将实施例2制备得到的膦酸苯乙基三乙氧基硅烷作原料用于制备中温质子交换膜，制备步骤为：
1)溶胶的制备：按照各原料γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷∶2-(3，4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷∶膦酸苯乙基三乙氧基硅烷的摩尔比为1.0∶0.5∶0.7，选取原料，加入反应器中，然后加入与GPTMS摩尔比为6.0的甲醇，再加入与GPTMS摩尔比为4.0的去离子水，室温搅拌18小时，得稳定清澈的溶胶；
2)凝胶膜的制备：将步骤1)得到的溶胶溶液倒入聚四氟乙烯模盘中，盖上铝箔，然后放入烘箱，在65～70℃凝胶化(脱水脱醇)24小时，至溶胶溶液变得粘稠时，再去掉铝箔，继续凝胶化50分钟，得到无宏观裂纹的凝胶膜；
3)干燥：将步骤2)得到的无宏观裂纹的凝胶膜130℃真空干燥1～2小时，得有机聚硅氧烷膦酸基中温质子交换膜。
其基本物理性能测试结果列于表2。
表2有机聚硅氧烷膦酸基中温质子交换膜的性能测试结果
上表2说明了：采用本发明提供的膦酸基烷氧基硅烷原料制备的有机聚硅氧烷膦酸基中温质子交换膜在中温(130℃)和低湿度(25％相对湿度)下具有较高质子电导率(≥0.07S/cm)且力学性能优异(拉伸强度≥23.2MPa)。