KR102256124B1 - Anion exchange material having chain extension group and preparation method thereof - Google Patents
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Abstract
본원 발명은 사슬연장기를 가지는 음이온 교환소재 및 이의 제조방법에 대한 것으로 보다 구체적으로는 고분자의 측쇄에 음이온 교환기와 더불어 사슬연장기로 2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥시드기(TEMPO)를 포함하는 음이온 교환소재 및 이의 제조방법 및 이로 부터 제조되는 음이온 교환소재가 성형된 고분자 전해질막 및 상기 고분자 전해질막을 포함하는 전기화학 장치에 대한 것이다. 본원 발명에 따른 음이온 교환소재는 고분자 전해질막으로써 연료전지 뿐만 아니라 레독스 플로우 전지, 전기투석 장치(electrodialysis: ED), 역전기투석 장치(reverse electrodialysis: RED), 축전식 탈염장치(capacitive deionization: CDI) 등 다양한 전기화학 장치에 활용이 가능하다.The present invention relates to an anion exchange material having a chain extender and a method for preparing the same. More specifically, 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxide as a chain extender in addition to an anion exchanger in the side chain of a polymer. The present invention relates to an anion exchange material containing a group (TEMPO), a method for manufacturing the same, a polymer electrolyte membrane formed with an anion exchange material produced therefrom, and an electrochemical device including the polymer electrolyte membrane. The anion exchange material according to the present invention is a polymer electrolyte membrane, as well as a fuel cell, redox flow battery, electrodialysis (ED), reverse electrodialysis (RED), capacitive deionization (CDI). ), etc., can be used in various electrochemical devices.
Description
본원 발명은 사슬연장기를 가지는 음이온 교환소재 및 이의 제조방법에 대한 것이다.The present invention relates to an anion exchange material having a chain extender and a method of manufacturing the same.
보다 구체적으로는 고분자의 측쇄에 음이온 교환기와 더불어 사슬연장기로 2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥시드기(TEMPO)를 포함하는 음이온 교환소재 및 이의 제조방법 및 이로 부터 제조되는 음이온 교환소재가 성형된 고분자 전해질막 및 상기 고분자 전해질막을 포함하는 전기화학 장치에 대한 것이다.More specifically, an anion exchange material containing 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxide group (TEMPO) as a chain extender in addition to an anion exchanger in the side chain of the polymer, and a method for producing the same, and from The present invention relates to a polymer electrolyte membrane in which an anion exchange material is formed and an electrochemical device including the polymer electrolyte membrane.
최근 인구 증가로 인한 화석연료의 고갈, 공해 및 전기에너지에 대한 수요증가는 대체 에너지원의 개발을 필요로 한다. 따라서, 많은 연구자들이 전기에너지를 생산 및 저장할 수 있는 새로운 시스템의 발명을 시도하고 있다. 그중, 양성자 교환막 연료전지(proton exchange membrane fuel cell: PEMFC)와 같은 신재생에너지 및 레독스 플로우전지(Redox flow battery: RFB)와 같은 에너지 저장 시스템에서 이온전도성 고분자막은 전지의 성능 및 내구성을 좌우하는 핵심소재에 해당한다.The depletion of fossil fuels due to the recent population increase, pollution, and increasing demand for electric energy necessitate the development of alternative energy sources. Therefore, many researchers are attempting to invent a new system capable of producing and storing electric energy. Among them, in renewable energy such as proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) and energy storage system such as redox flow battery (RFB), ion conductive polymer membranes influence the performance and durability of the battery. It is a core material.
현재까지 개발된 고분자 전해질 막은 크게 불소화된 고분자(perfluorinated polymer) 전해질과 탄화수소계(hydrocarbon) 고분자 전해질로 나눌 수 있는데, 불소화된 고분자 전해질은 탄소-불소(CF)간의 강한 결합력과 불소원자의 특징인 가림(shielding) 효과로 화학적으로 안정하며, 기계적인 물성도 우수하고, 특히 수소이온 교환막으로 전도성이 높으므로 현재 고분자 전해질형 연료전지의 고분자 막으로 상용화되고 있다. 미국 듀퐁(Du Pont)사의 상품인 나피온(Nafion, 퍼플루오르화 술폰산 중합체)은 상용화된 수소이온 교환막의 대표적인 예로서, 이온전도도, 화학적 안정성, 이온 선택성 등이 우수하여 현재 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 불소화된 고분자 전해질 막은 우수한 성능에 반하여 높은 가격으로 인해 산업용으로서의 이용도가 낮으며, 메탄올이 고분자 막을 통과하는 메탄올 투과성(methanol crossover)이 높고, 80℃ 이상의 온도에서 고분자 막의 효율이 감소되는 단점이 있어 가격면에서 경쟁성 있는 탄화수소계 이온 교환막에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나 현재 까지 주로 사용되는 전해질막은 나피온으로 대변되는 과불소계 양이온 교환막소재가 주를 이루고 있다.Polymer electrolyte membranes developed up to now can be divided into fluorinated polymer electrolytes and hydrocarbon polymer electrolytes. Fluorinated polymer electrolytes have strong carbon-fluorine (CF) bonding and masking, which is a characteristic of fluorine atoms. It is chemically stable due to the (shielding) effect, has excellent mechanical properties, and has high conductivity as a hydrogen ion exchange membrane, so it is currently commercialized as a polymer membrane of a polymer electrolyte fuel cell. Nafion (perfluorinated sulfonic acid polymer), a product of Du Pont in the United States, is a representative example of a commercially available hydrogen ion exchange membrane, and is currently the most widely used because of its excellent ionic conductivity, chemical stability, and ion selectivity. However, fluorinated polymer electrolyte membranes have disadvantages of low industrial use due to their high price, as opposed to excellent performance, high methanol crossover through which methanol passes through the polymer membrane, and the efficiency of the polymer membrane decreases at temperatures above 80°C. Therefore, researches on hydrocarbon-based ion exchange membranes that are competitive in terms of price are being actively conducted, but the electrolyte membranes that are mainly used up to now are the perfluorine-based cation exchange membrane materials represented by Nafion.
한편, 음이온 교환소재는 음이온만을 선택적으로 이동시키기 때문에 양이온 활물질을 사용하는 레독스 플로우 전지(RFB) 시스템에서는 근본적으로 활물질의 크로스 오버(cross over) 현상을 막을 수 있고, 연료전지 시스템에 적용할 때에도 음이온의 이동 방향이 연료의 이동 방향과 반대 방향이어서 연료의 크로스 오버(cross over) 현상을 막을 수 있고, 음이온 교환막을 적용한 연료전지 시스템의 경우 고가의 백금 이외의 저가의 금속 촉매를 사용할 수 있는 장점이 있어서 전체적인 전지 시스템의 비용을 줄일 수 있는 장점이 있는 것으로 알려져 있다.On the other hand, since the anion exchange material selectively moves only anions, the redox flow battery (RFB) system using a cationic active material can fundamentally prevent the crossover of the active material, and even when applied to a fuel cell system. Since the direction of movement of anions is opposite to the direction of movement of fuel, crossover of fuel can be prevented, and in the case of a fuel cell system with anion exchange membrane, inexpensive metal catalysts other than expensive platinum can be used. Accordingly, it is known that there is an advantage of reducing the cost of the overall battery system.
현재 이러한 음이온 교환소재의 대표적인 소재로는 독일 퓨마텍의 FAP와 VPX 등이 상용화되어 있으나, 이 또한 매우 고가이고 레독스 플로우 전지(RFB)에 특화된 특성으로 인하여 이온전도도가 매우 낮아서 연료전지 등의 다른 전기화학 장치에의 적용이 곤란한 단점이 있다.Currently, as representative materials of such anion exchange materials, FAP and VPX of German Pumatech are commercially available, but these are also very expensive and have very low ionic conductivity due to the characteristics specialized for redox flow batteries (RFB), so other materials such as fuel cells There is a disadvantage that it is difficult to apply it to an electrochemical device.
따라서 이러한 가격 경쟁력 및 내구성이 향상된 탄화수소계 음이온 교환소재의 개발 및 이의 레독스 플로우전지에 적용하고자 하는 다양한 시도가 이루어지고 있다. 이러한 종래기술로는 폴리에테르설폰의 공중합체에 음이온 교환기를 도입한 한국 등록특허 제10-1543079호 및 일본 공개특허공보 제2003-96219호 등이 있으나 이는 탄화수소계 주쇄를 가지는 고분자의 측쇄에 단순한 음이온 교환기의 도입 및 이를 레독스 플로우 전지에 적용한 것에 불과한 수준이다. Accordingly, various attempts have been made to develop a hydrocarbon-based anion exchange material with improved price competitiveness and durability and to apply it to a redox flow battery. Such conventional techniques include Korean Patent No. 10-1543079 and Japanese Patent Laid-Open No. 2003-96219, which introduce an anion exchange group into a polyethersulfone copolymer, but this is a simple anion in the side chain of a polymer having a hydrocarbon-based main chain. It is just the level of the introduction of the exchanger and the application of it to the redox flow battery.
이러한 소재의 경우 제조가 용이하다는 장점은 있으나 화학적 내구성이 매우 취약하여 실제 적용분에서 사용할 수 없다는 점이 가장 큰 단점으로 여겨지고 있고, 이러한 낮은 화학적 안정성은 이온교환을 할 수 있는 암모늄이온그룹의 낮은 산화안정성에서 비롯되는 것으로 알려져 있다. 이를 극복하기 위한 방법으로 소재를 산화시키는 다양한 라디칼로부터의 공격을 최소화하기 위해 입체장애를 유발할 수 있는 치환기를 암모늄이온에 이웃하게 도입하는 것이 매우 효과적인 것으로 알려있고, 구체적으로는 이온교환기와 주쇄 사이에 스페이서(spacer)를 도입하는 방법과 이온교환기에 직접적으로 큰 연장기를 도입함으로써 입체장애를 유발하는 것이 대표적이다. 그러나 이러한 방법들도 소재의 산화안정성을 향상시킬 수 있는 보조적인 방법일 뿐 근본적인 대책은 아니므로 이에 입체장애의 향상과 함께 좀 더 근본적으로 발생한 라디칼을 제거함으로서 소재의 안정성을 향상시킬 수 있는 소재의 개발이 요구되고 있는 실정이다.These materials have the advantage of being easy to manufacture, but their chemical durability is very weak, and the fact that they cannot be used in actual applications is considered to be the biggest disadvantage, and such low chemical stability is the low oxidation stability of the ammonium ion group capable of ion exchange. It is known to originate from. As a method to overcome this, it is known that it is very effective to introduce a substituent that can cause steric hindrance adjacent to the ammonium ion in order to minimize the attack from various radicals that oxidize the material. It is typical to introduce a spacer and to induce steric hindrance by directly introducing a large extender to the ion exchanger. However, these methods are also auxiliary methods that can improve the oxidation stability of materials and are not fundamental countermeasures. Therefore, the stability of materials can be improved by improving steric hindrance and removing radicals more radically generated. Development is being demanded.
본원 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 개발된 것으로, 탄화수소계 고분자를 사용하여 가격 경쟁력 뿐만 아니라 내구성이 향상된 음이온 교환소재 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been developed to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide an anion exchange material having improved durability as well as price competitiveness by using a hydrocarbon-based polymer, and a method of manufacturing the same.
또한, 본원 발명에서는 연료전지뿐만 아니라 레독스 플로우 전지, 전기투석 장치(electrodialysis: ED), 역전기투석 장치(reverse electrodialysis: RED), 축전식 탈염장치(capacitive deionization: CDI) 등 다양한 전기화학 장치에 활용성이 향상된 음이온 교환소재를 제공하고자 한다.In addition, in the present invention, not only fuel cells, but also various electrochemical devices such as redox flow cells, electrodialysis (ED), reverse electrodialysis (RED), capacitive deionization (CDI), etc. It is intended to provide an anion exchange material with improved utility.
본원 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위하여 탄화수소계 고분자의 측쇄에 음이온 교환기와 사슬연장기로 2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥시드기(TEMPO)를 동시에 도입된 음이온 교환소재 및 이의 제조방법을 제공한다.In the present invention, in order to solve the above problems, an anion exchange material in which 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxide groups (TEMPO) are simultaneously introduced into the side chain of a hydrocarbon-based polymer as an anion exchanger and a chain extender. And it provides a method of manufacturing the same.
또한, 본원 발명에서는 탄화수소계 고분자의 측쇄에 음이온 교환기와 사슬연장기를 동시에 도입된 음이온 교환소재를 성형하여 제조되는 고분자 전해질막을 제공한다.In addition, the present invention provides a polymer electrolyte membrane manufactured by molding an anion exchange material in which an anion exchanger and a chain extender are simultaneously introduced into a side chain of a hydrocarbon-based polymer.
또한, 본원 발명에서는 탄화수소계 고분자의 측쇄에 음이온 교환기와 사슬연장기를 동시에 도입된 음이온 교환소재를 고분자 전해질막으로 포함하는 전기화학 장치를 제공한다.In addition, the present invention provides an electrochemical device comprising, as a polymer electrolyte membrane, an anion exchange material in which an anion exchanger and a chain extender are simultaneously introduced into a side chain of a hydrocarbon-based polymer.
본원 발명에 따른 음이온 교환소재는 탄화수소계 고분자를 주쇄로 포함하여 가격 경쟁력의 측면에서 양이온 이온교환 소재인 미국 듀퐁(Du Pont)사의 상품인 나피온 및 음이온 교환소재인 독일 퓨마텍의 FAP와 VPX 등이 상용화된 제품에 비하여 유리할 뿐만 아니라 연료전지 및 레독스 흐름 전지 등 다양한 전기화학 장치의 전해질막으로도 사용이 가능하다.The anion exchange material according to the present invention includes a hydrocarbon-based polymer as a main chain, and in terms of price competitiveness, such as Nafion, a product of Du Pont, a cation ion exchange material, and FAP and VPX of Pumatech, Germany, an anion exchange material. Not only is it advantageous compared to this commercially available product, it can also be used as an electrolyte membrane for various electrochemical devices such as fuel cells and redox flow cells.
본원 발명에 따른 음이온 교환소재는 음이온 교환기와 동시에 측쇄에 도입된 사슬연장기가 라디칼 스캐빈저(radical scavenger)로서 작용하여 전기화학 장치의 운전시 발생하는 라디칼로부터 소재의 안정성을 증대시킬 수 있는 장점이 있다. The anion exchange material according to the present invention has the advantage of increasing the stability of the material from radicals generated during operation of the electrochemical device by acting as a radical scavenger with the chain extender introduced into the side chain at the same time as the anion exchanger. have.
또한, 주쇄의 독립적인 부분에 공유결함으로 도입되는 것이 아니라 이온교환기가 도입된 사슬의 사슬연장기로 도입됨으로써 입체장애를 유발하여 다양한 라디칼로부터 소재의 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.In addition, it is not introduced as a covalent defect in an independent part of the main chain, but is introduced into the chain extender of the chain into which an ion exchange group is introduced, thereby causing steric hindrance, thereby further improving the stability of the material from various radicals.
또한, 본원 발명에 따른 음이온 교환소재는 음이온 교환기와 동시에 측쇄에 도입된 사슬연장기가 입체장애를 증대시켜서 이온교환기의 안정성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 음이온 교환소재의 미세 상분리를 촉진시켜 이온전도도 향상의 효과가 있다.In addition, the anion exchange material according to the present invention can improve the stability of the ion exchanger by increasing steric hindrance by the chain extender introduced into the side chain at the same time as the anion exchanger, as well as promoting the fine phase separation of the anion exchange material to improve ionic conductivity. It works.
또한, 본원 발명에 따른 음이온 교환소재에 도입된 사슬연장기인 2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥시드기(TEMPO)는 레독스 반응시 가역적이며 열역학적으로 매우 안정하여 레독스 흐름 전지용 전해질막으로서 효과적이다.In addition, the 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxide group (TEMPO), which is a chain extender introduced into the anion exchange material according to the present invention, is reversible during the redox reaction and is thermodynamically very stable. It is effective as an electrolyte membrane for a dox flow battery.
도 1은 본원 발명의 일 구현예에 따른 사슬연장기를 가지는 음이온 교환소재의 제조방법을 나타낸 것이다.
도 2는 본원 발명의 일 구현예에 따른 사슬연장기를 가지는 음이온 교환소재및 전구체의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 3은 본원 발명의 일 구현예에 따른 사슬연장기를 가지는 음이온 교환소재및 전구체의 FR-IR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 4는 본원 발명의 일 구현예에 따른 사슬연장기를 가지는 음이온 교환소재의 산화안정성 시험결과를 나타낸 것이다.1 shows a method of manufacturing an anion exchange material having a chain extender according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the 1 H-NMR spectrum of the anion exchange material and precursor having a chain extender according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the FR-IR spectrum of the anion exchange material and precursor having a chain extender according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows the results of the oxidation stability test of the anion exchange material having a chain extender according to an embodiment of the present invention.
이하, 본원 발명에 대해 상세하게 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본원 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. The terms or words used in the specification and claims should not be construed as being limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to describe his own invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that there is.
본원 발명의 명세서 전반에 걸쳐 기재된 “사슬연장기”는 이온교환기가 도입된 측쇄의 길이를 길게 함으로써 입체장애를 유발시킬 수 있는 단위를 의미하는 것일 뿐만 아니라 사슬연장기로 2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥시드기(TEMPO)를 도입함으로써 산화에 대한 화학적 안정성을 향상시키고자 하는 목적으로 도입된 치환기를 의미한다.The "chain extender" described throughout the specification of the present invention refers to a unit capable of causing steric hindrance by lengthening the length of the side chain into which the ion exchange group is introduced, as well as 2,2,6,6- It refers to a substituent introduced for the purpose of improving chemical stability against oxidation by introducing a tetramethylpiperidine-N-oxide group (TEMPO).
본원 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위하여 하기 화학식 1의 화학구조를 주쇄로 가지는 탄화수소계 고분자를 제조하는 고분자 제조단계; 상기 탄화수소계 고분자를 할로겐화하는 할로겐화 고분자 제조단계; 상기 할로겐화 고분자를 N,N,2,2,6,6-hexamethylpiperidin-4-amine을 이용한 4차화 반응(quaternization)을 통하여 음이온 전도성기를 가지는 고분자 제조단계; 및 상기 음이온 전도성기를 가지는 고분자의 피페리딘기(piperidine group)를 산화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사슬연장기를 가지는 음이온 교환소재의 제조방법을 제공한다.In the present invention, in order to solve the above problems, a polymer manufacturing step of preparing a hydrocarbon-based polymer having a chemical structure of the following formula 1 as a main chain; Halogenated polymer manufacturing step of halogenating the hydrocarbon-based polymer; A step of preparing a polymer having an anionic conductive group through quaternization of the halogenated polymer using N,N,2,2,6,6-hexamethylpiperidin-4-amine; And oxidizing the piperidine group of the polymer having the anion conductive group.
<화학식 1><Formula 1>
상기 화학식 1에서, M, M', M''은 각각 단일결합이거나 전자주게기로서 -O-, -S-, -NR'- (이때 R'은 수소원자이거나 C1 ~ C12 알킬기 중 어느 하나임), 또는 전자끌게기로서 -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2-, -(C(CF3)2)- 중 어느 하나이고, R1 ~ R8은 각각 수소원자이거나 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 시아노기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 각 반복 단위 내에 또는 반복 단위 당 동일하거나 상이할 수 있으며,In Formula 1, M, M', M'' are each a single bond or as an electron donor group -O-, -S-, -NR'- (In this case, R'is a hydrogen atom or a C 1 ~ C 12 alkyl group One), or any one of -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO 2 )-, -CF 2 -, -(C(CF 3 ) 2 )- , R 1 to R 8 are each hydrogen atom or an alkyl group, aryl group, allyl group, fluorine atom, aryl group including fluorine atom, cyano group, perfluoroalkyl group, oxygen, nitrogen, sulfur atom in the chain Any one selected from the group consisting of a perfluoroalkylaryl group, a perfluoroaryl group, and an -O-perfluoroaryl group including one or more may be the same or different in each repeating unit or per repeating unit,
반복단위의 수인 n은 1 이상 100,000이하의 정수이고,N, the number of repeating units, is an integer of 1 or more and 100,000 or less,
Ar은 하기 화학식 2와 같으며,Ar is the same as the following formula (2),
<화학식 2><
상기 화학식 2에서, M'''는 단일결합이거나 전자주게기로서 -O-, -S-, -NR'- (이때 R'은 수소원자이거나 C1 ~ C12 알킬기 중 어느 하나임), 또는 전자끌게기로서 -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2-, -(C(CF3)2)- 중 어느 하나이고, R9 ~ R20은 각각 수소원자이거나 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 시아노기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, 각 반복 단위 내에 또는 반복 단위 당 동일하거나 상이할 수 있다.In
본원 발명의 일 구현예에 따른 제조방법에 있어서, 상기 할로겐화 고분자 제조단계는 클로로 메틸화 반응, 브롬화 반응 또는 요오드화 반응을 통하여 하기 화학식 3의 화학구조를 가지는 할로겐화 고분자를 제조하는 것일 수 있다.In the manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the manufacturing step of the halogenated polymer may be to prepare a halogenated polymer having the chemical structure of Formula 3 through a chloromethylation reaction, a bromination reaction, or an iodination reaction.
<화학식 3><Formula 3>
상기 화학식 3의 Z1은 C1 ~ C12의 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, X는 할로겐원자로서 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I) 중 어느 하나 이며, R21 ~ R23은 각각 수소원자이거나 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 시아노기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, R24 ~ R27은 각각 Z1X가 되거나 R21 ~ R23와 마찬가지로 각각 수소원자이거나 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 시아노기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, Ar'은 화학식 1의 Ar과 동일하거나 Ar의 각각의 페닐링은 적어도 하나의 Z1X로 표현되는 치환기를 가질 수 있다. Z 1 in Formula 3 is a C 1 to C 12 alkyl group, an aryl group, an allyl group, an aryl group containing a fluorine atom, a perfluoroalkyl group, and a chain containing at least one of oxygen, nitrogen, and sulfur atoms. Any one selected from the group consisting of a perfluoroalkylaryl group, a perfluoroaryl group, and an -O-perfluoroaryl group, and X is a halogen atom among chlorine (Cl), bromine (Br), and iodine (I). And R 21 to R 23 are each hydrogen atom or an alkyl group, aryl group, allyl group, fluorine atom, aryl group including a fluorine atom, cyano group, perfluoroalkyl group, oxygen, nitrogen, Any one selected from the group consisting of a perfluoroalkylaryl group, a perfluoroaryl group, and an -O-perfluoroaryl group containing at least one sulfur atom, and R 24 to R 27 are each Z 1 X, or Like R 21 to R 23 , each is a hydrogen atom or an alkyl group, aryl group, allyl group, fluorine atom, aryl group including fluorine atom, cyano group, perfluoroalkyl group, oxygen, nitrogen, sulfur atom in the chain Any one selected from the group consisting of a perfluoroalkylaryl group, a perfluoroaryl group, and an -O-perfluoroaryl group including one or more, and Ar' is the same as Ar in Formula 1 or each phenyl of Ar The ring may have at least one substituent represented by Z 1 X.
본원 발명의 일 구현예에 따른 제조방법에 있어서, 상기 사슬연장기를 가지는 음이온 교환소재는 하기 화학식 4의 화학구조를 가질 수 있다.In the manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the anion exchange material having the chain extender may have a chemical structure represented by the following formula (4).
<화학식 4><
상기 화학식 4의 Q'는 양이온화된 이온교환작용기로서 아민기로부터 유도된 암모늄기이거나 술포늄기, 포스포늄기, 피리디늄기, 카바졸륨기 및 이미다졸륨기이거나 베타인 및 술포베타인에서 선택되는 양쪽성 이온 교환 작용기 및 이들의 조합에서 선택되는 이온 교환체 또는 이들의 염 상태의 음이온 교환 작용기 중 어느 하나이고, Z2는 단일결합이거나 C1 ~ C12의 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, R'24 ~ R'27은 각각 Z1Q'X-Z2(2,2,6,6-테트라메틸피페리딘)로 표현되는 치환기이거나, R21 ~ R23와 마찬가지로 각각 수소원자이거나 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 시아노기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, 또한 화학식 4의 Ar''는 화학식 1의 Ar과 동일하거나 Ar의 각각의 페닐링은 적어도 하나의 Z1Q’X-Z2(2,2,6,6-테트라메틸피페리딘)로 표현되는 치환기를 가질 수 있다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 제조방법에 있어서, 상기 고분자의 피페리딘기를 산화시키는 단계는 피페리딘기의 산화를 통하여 하기 화학식 5의 화학구조를 가지는 음이온 교환소재를 제조하는 것 일 수 있다.In the manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the step of oxidizing the piperidine group of the polymer may be to prepare an anion exchange material having the chemical structure of the following formula (5) through oxidation of the piperidine group.
<화학식 5><
상기 화학식 5의 R''24 ~ R''27은 각각 Z1Q'X-Z2(2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥시드)로 표현되는 치환기이거나, R21 ~ R23와 마찬가지로 각각 수소원자이거나 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자, 아릴기, 시아노기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, Ar'''은 화학식 1의 Ar과 동일하거나 Ar의 각각의 페닐링은 적어도 하나의 Z1Q’X-Z2(2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥시드)로 표현되는 치환기를 가질 수 있다.R'' 24 to R'' 27 of
또한, 본원 발명은 하기 화학식 5의 화학구조를 가지는 것을 특징으로 하는 사슬연장기를 가지는 음이온 교환소재를 제공한다.In addition, the present invention provides an anion exchange material having a chain extender, characterized in that it has a chemical structure of the following formula (5).
<화학식 5><
상기 화학식 5에서, M, M', M''은 각각 단일결합이거나 전자주게기로서 -O-, -S-, -NR'- (이때 R'은 수소원자이거나 C1 ~ C12 알킬기 중 어느 하나임), 또는 전자끌게기로서 -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2-, -(C(CF3)2)- 중 어느 하나이고, In
반복단위의 수인 n은 1 이상 100,000이하의 정수이며,N, the number of repeating units, is an integer of 1 or more and 100,000 or less,
Ar'''은 하기 화학식 2와 같거나 Ar'''의 각각의 페닐링은 적어도 하나의 Z1Q’X-Z2(2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥시드)로 표현되는 치환기를 가질 수 있고, Ar '''are the same or to the formula Ar 2' each phenyl ring of the "" is at least one of Z 1 Q'X - Z P 2 (2,2,6,6- tetramethyl-piperidine oxide -N- Seed) may have a substituent represented by,
<화학식 2><
상기 화학식 2에서, M'''는 단일결합이거나 전자주게기로서 -O-, -S-, -NR'- (이때 R'은 수소원자이거나 C1 ~ C12 알킬기 중 어느 하나임), 또는 전자끌게기로서 -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2-, -(C(CF3)2)- 중 어느 하나이고, R9 ~ R20은 각각 수소원자이거나 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 시아노기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 각 반복 단위 내에 또는 반복 단위 당 동일하거나 상이할 수 있으며,In
R21 ~ R23은 각각 수소원자이거나 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자, 아릴기, 시아노기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고,R 21 to R 23 are each a hydrogen atom or a perfluoro containing one or more of an alkyl group, an aryl group, an allyl group, a fluorine atom, an aryl group, a cyano group, a perfluoroalkyl group, and an oxygen, nitrogen, and sulfur atom in its chain. It is any one selected from the group consisting of a roalkylaryl group, a perfluoroaryl group, and an -O-perfluoroaryl group,
R''24 ~ R''27은 각각 R21 ~ R23와 동일하거나 Z1Q'X-Z2(2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥시드)로 표현되는 치환기일 수 있으며,R'' 24 to R'' 27 are each the same as R 21 to R 23 or represented by Z 1 Q'X - Z 2 (2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxide) May be a substituent,
Z1은 C1 ~ C12의 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고,Z 1 is a C 1 to C 12 alkyl group, an aryl group, an allyl group, an aryl group containing a fluorine atom, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl containing at least one of oxygen, nitrogen, and sulfur atoms in its chain Any one selected from the group consisting of an aryl group, a perfluoroaryl group, and an -O-perfluoroaryl group,
Q'는 양이온화된 이온교환작용기로서 아민기로부터 유도된 암모늄기이거나 술포늄기, 포스포늄기, 피리디늄기, 카바졸륨기 및 이미다졸륨기이거나 베타인 및 술포베타인에서 선택되는 양쪽성 이온 교환 작용기 및 이들의 조합에서 선택되는 이온 교환체 또는 이들의 염 상태의 음이온 교환 작용기 중 어느 하나이며, Q'is an ammonium group derived from an amine group as a cationized ion exchange functional group, a sulfonium group, a phosphonium group, a pyridinium group, a carbazolium group and an imidazolium group, or an amphoteric ion exchange functional group selected from betaine and sulfobetaine And an ion exchanger selected from a combination thereof or an anion exchange functional group in a salt state thereof,
Z2는 단일결합이거나 C1 ~ C12의 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고,Z 2 is a single bond or a C 1 to C 12 alkyl group, an aryl group, an allyl group, an aryl group containing a fluorine atom, a perfluoroalkyl group, and a purple containing one or more of oxygen, nitrogen, and sulfur atoms in the chain It is any one selected from the group consisting of a luoroalkylaryl group, a perfluoroaryl group, and an -O-perfluoroaryl group,
X는 할로겐원자로서 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I) 중 어느 하나이다.X is a halogen atom and is any one of chlorine (Cl), bromine (Br), and iodine (I).
또한, 본원 발명은 상기 음이온 교환소재를 성형하여 제조되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막을 제공한다.In addition, the present invention provides a polymer electrolyte membrane, characterized in that produced by molding the anion exchange material.
본원 발명에 따른 음이온 교환소재를 성형하여 제조되는 고분자 전해질막은 음이온 교환기와 동시에 측쇄에 도입된 사슬연장기가 라디칼 스캐빈저(radical scavenger)로서 작용하여 전기화학 장치의 운전시 발생하는 라디칼로부터 소재의 안정성을 증대시킬 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니라 음이온 교환기와 동시에 측쇄에 도입된 사슬연장기가 입체장애를 증대시켜서 이온교환기의 안정성을 향상 및 음이온 교환소재의 미세 상분리를 촉진시켜 이온전도도 향상의 효과가 있다.In the polymer electrolyte membrane manufactured by molding the anion exchange material according to the present invention, the chain extender introduced into the side chain at the same time as the anion exchanger acts as a radical scavenger, so the stability of the material from the radicals generated during operation of the electrochemical device. Not only has the advantage of increasing the anion exchanger, but also the chain extender introduced into the side chain at the same time as the anion exchanger increases steric hindrance, thereby improving the stability of the ion exchanger and promoting the fine phase separation of the anion exchange material, thereby improving the ion conductivity.
또한, 본원 발명은 애노드, 캐스드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 구비되는 상기 고분자 전해질막을 포함하는 막전극 접합체를 제공한다.In addition, the present invention provides a membrane electrode assembly including an anode, a cathode, and the polymer electrolyte membrane provided between the anode and the cathode.
또한, 본원 발명은 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a fuel cell including the membrane electrode assembly.
또한, 본원 발명은 상기 고분자 전해질막을 포함하는 전기화학 장치를 제공하고, 이때 상기 전기화학 장치는 레독스 플로우 전지, 전기투석 장치, 역전기투석 장치, 축전식 탈염장치 중 어느 하나일 수 있다. 특히, 본원 발명에 따른 음이온 교환소재에 도입된 사슬연장기인 2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥시드기(TEMPO)는 레독스 반응시 가역적이며 열역학적으로 매우 안정하여 레독스 흐름 전지용 전해질막으로서 효과적이다. In addition, the present invention provides an electrochemical device including the polymer electrolyte membrane, wherein the electrochemical device may be any one of a redox flow battery, an electrodialysis device, a reverse electrodialysis device, and a capacitive desalination device. In particular, 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxide group (TEMPO), which is a chain extender introduced into the anion exchange material according to the present invention, is reversible during redox reaction and is very thermodynamically stable. It is effective as an electrolyte membrane for a dox flow battery.
또한, 음이온연료전지의 고체전해질막으로의 적용이 가능할 뿐 아니라 이의 전극층의 바인더 소재로의 적용이 가능하다.In addition, it is possible to apply the anion fuel cell as a solid electrolyte membrane, as well as the electrode layer as a binder material.
이하, 본원 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면과 같이 본원이 속하는 기술 분야에서 일반적인 지식을 가진 자가 쉽게 실시할 수 있도록 본원의 구현 예 및 실시 예를 상세히 설명한다. 특히 이것에 의해 본원 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한을 받지 않는다. 또한, 본원 발명의 내용은 여러 가지 다른 형태의 장비로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 구현 예 및 실시 예에 한정되지 않는다.Hereinafter, implementation examples and examples of the present application will be described in detail so that those with general knowledge in the technical field to which the present application pertains can be easily implemented, as shown in the accompanying drawings. In particular, the technical idea of the present invention and its core configuration and operation are not limited by this. In addition, the content of the present invention may be implemented in various different types of equipment, and is not limited to the implementation examples and examples described herein.
도 1은 본원 발명의 일 구현예에 따른 사슬연장기를 가지는 음이온 교환소재의 제조방법을 나타낸 것이다. 1 shows a method of manufacturing an anion exchange material having a chain extender according to an embodiment of the present invention.
본원 발명의 일 구현예에 따라 탄화수소계 고분자로 폴리술폰을 클로로메틸화 반응을 통하여 할로겐화 고분자(Chloromethylated Udel)를 제조하고, 제조된 할로겐화 고분자를 N,N,2,2,6,6-Hexamethylpiperidin-4-amine을 이용하여 4차화 반응(quaternization)을 통하여 음이온 전도성기를 가지는 고분자(TEMP-Quaterinized Udel)를 제조하였다. 이후 음이온 전도성기를 가지는 고분자의 피페리딘기(piperidine group)를 산화시킴으로써 사슬연장기를 가지는 음이온 교환소재(TEMPO-Quaternized Udel)를 제조하였다.According to an embodiment of the present invention, a halogenated polymer (Chloromethylated Udel) is prepared through a chloromethylation reaction of polysulfone as a hydrocarbon-based polymer, and the prepared halogenated polymer is N,N,2,2,6,6-Hexamethylpiperidin-4. A polymer (TEMP-Quaterinized Udel) having an anionic conductive group was prepared through quaternization using -amine. Thereafter, an anion exchange material (TEMPO-Quaternized Udel) having a chain extension group was prepared by oxidizing the piperidine group of the polymer having an anionic conductive group.
도 2는 본원 발명의 일 구현예에 따른 사슬연장기를 가지는 음이온 교환소재및 전구체의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다. Figure 2 shows the 1 H-NMR spectrum of the anion exchange material and precursor having a chain extender according to an embodiment of the present invention.
본원 발명의 일 구현예에 따른 할로겐화 고분자(Chloromethylated Udel)를 1H-NMR 분광법에 의하여 분석 하였을 때 4.5ppm에서 클로로메틸 작용기가 관찰되었으며 폴리술폰의 클로로메틸화도는 0.956로 확인되었다(1H NMR (400 Hz, CDCl3), δ(ppm): 1.73 (s, 6H), 4.56 (s, 2H), 6.83-7.00 (m, 3H), 7.04 (m, 4H), 7.17-7.29 (m, 3H), 7.39 (s, 1H), 7.88 (m, 4H)).When the halogenated polymer (Chloromethylated Udel) according to an embodiment of the present invention was analyzed by 1 H-NMR spectroscopy, a chloromethyl functional group was observed at 4.5 ppm, and the chloromethylation degree of polysulfone was confirmed to be 0.956 ( 1 H NMR ( 400 Hz, CDCl 3 ), δ (ppm): 1.73 (s, 6H), 4.56 (s, 2H), 6.83-7.00 (m, 3H), 7.04 (m, 4H), 7.17-7.29 (m, 3H) , 7.39 (s, 1H), 7.88 (m, 4H)).
본원 발명의 일 구현예에 따른 음이온 전도성기를 가지는 고분자(TEMP-Quaterinized Udel)를 1H-NMR 분광법에 의하여 분석 하였을 때, 4.5 ppm 에서 존재하던 클로로메틸그룹의 할로겐이 암모늄기로 치환됨에 따라 메틸그룹이 4.4ppm 으로 shift 된 것을 확인하였으며, 2.8, 1.7 1.1ppm 에서 나타나는 TEMP의 proton을 확인함으로 합성이 잘 이루어짐을 확인할 수 있었다 (1H NMR (400 Hz, DMSO), δ(ppm): 1.13 (d, 12H), 1.39(s, 2H), 1.69 (m, 6H), 2.1 (s, 2H), 2.8 (d, 6H), 4.2 (s, 1H), 4.4 (s, 2H), 6.9-7.10 (m, 6H), 7.25-7.40 (m, 4H), 7.6 (s, 1H), 7.88 (s, 1H), 7.9-8.02 (m, 4H)).When the polymer (TEMP-Quaterinized Udel) having an anionic conductive group according to an embodiment of the present invention was analyzed by 1 H-NMR spectroscopy, as the halogen of the chloromethyl group present at 4.5 ppm was substituted with an ammonium group, the methyl group was It was confirmed that it was shifted to 4.4ppm, and it was confirmed that the synthesis was well done by checking the proton of TEMP appearing at 2.8, 1.7 and 1.1ppm ( 1 H NMR (400 Hz, DMSO), δ (ppm): 1.13 (d, 12H), 1.39(s, 2H), 1.69 (m, 6H), 2.1 (s, 2H), 2.8 (d, 6H), 4.2 (s, 1H), 4.4 (s, 2H), 6.9-7.10 (m , 6H), 7.25-7.40 (m, 4H), 7.6 (s, 1H), 7.88 (s, 1H), 7.9-8.02 (m, 4H)).
본원 발명의 일 구현예에 따른 사슬연장기를 가지는 음이온 교환소재(TEMPO-Quaternized Udel)를 1H-NMR 분광법에 의하여 분석 하였을 때, N-O radical의 존재로 6.5 내지 8 ppm에서 브로드한 피크(broad peak)가 관찰되었다. When an anion exchange material (TEMPO-Quaternized Udel) having a chain extender according to an embodiment of the present invention was analyzed by 1 H-NMR spectroscopy, a broad peak at 6.5 to 8 ppm in the presence of NO radicals Was observed.
도 3은 본원 발명의 일 구현예에 따른 사슬연장기를 가지는 음이온 교환소재및 전구체의 FR-IR 스펙트럼을 나타낸 것이다.Figure 3 shows the FR-IR spectrum of the anion exchange material and precursor having a chain extender according to an embodiment of the present invention.
본원 발명의 일 구현예에 따른 음이온 전도성기를 가지는 고분자(TEMP-Quaterinized Udel)의 FT-IR 분석에 의해 938, 830 cm-1 N-H peak를 확인할 수 있었고, 사슬연장기를 가지는 음이온 교환소재(TEMPO-Quaternized Udel)는 N-H 위치에서 흡수 피크는 보이지 않으며, 3034 내지 3059 cm-1 에서 N-O 라디칼에 의한 흡수 피크를 확인함으로 산화가 이루어 졌음을 확인하였다.By FT-IR analysis of the polymer (TEMP-Quaterinized Udel) having an anion conductive group according to an embodiment of the present invention, 938, 830 cm -1 NH peak could be identified, and an anion exchange material having a chain extender (TEMPO-Quaternized Udel). Udel) did not show an absorption peak at the NH position, and it was confirmed that oxidation was performed by confirming the absorption peak by the NO radical at 3034 to 3059 cm -1.
<제조예 1> 폴리술폰의 클로로메틸화(Chloromethylated Udel)<Preparation Example 1> Chloromethylated Udel of polysulfone
폴리술폰(Udel Polysulfone, P-3500 LCD MB, Solvay Advanced Polymers) 34g을 1,1,2,2-테트라클로로에탄(1,1,2,2-tetrachloroethane) 140㎖에 완전히 용해시킨 후 염화아연(ZnCl2) 2.97g 및 염화메틸 메틸 에테르(chloromethyl methyl ether) 23㎖ 넣고 40℃에서 3.5 시간 동안 반응시켰다. 반응이 종료된 후 과량의 메탄올에 침전시키고 다시 수차례 메탄올과 3차 증류수로 세척하였다. 세척된 상기 클로로메틸화 폴리술폰(Chloromethylated Udel)을 80℃에서 24시간 진공 건조하였다.After completely dissolving 34 g of polysulfone (Udel Polysulfone, P-3500 LCD MB, Solvay Advanced Polymers) in 140 ml of 1,1,2,2-tetrachloroethane, zinc chloride ( ZnCl 2 ) 2.97 g and 23 ml of chloromethyl methyl ether were added and reacted at 40° C. for 3.5 hours. After the reaction was completed, it was precipitated in an excess of methanol and washed several times with methanol and tertiary distilled water. The washed chloromethylated polysulfone (Chloromethylated Udel) was vacuum dried at 80° C. for 24 hours.
<제조예 2> 클로로메틸화된 폴리술폰의 이온교환(TEMP-Quaterinized Udel)<Preparation Example 2> Ion exchange of chloromethylated polysulfone (TEMP-Quaterinized Udel)
상기 제조예 1에 따라 클로로 메틸화된 폴리술폰(Chloromethylated Udel) 1g을 DMSO(dimethyl sulfoxide) 5wt% 농도로 완전히 용해시킨 후 N,N,2,2,6,6-Hexamethylpiperidin-4-amine을 3eq.를 천천히 넣어주고 25 ℃에서 24 시간 동안 반응시켰다. 반응 종료후 과량의 증류수에 침전시키고 다시 수차례 3차 증류수로 세척하였다. 세척된 상기 이온교환된 폴리술폰(TEMP-Quaterinized Udel)을 60℃에서 24시간 진공 건조하였다.After completely dissolving 1 g of chloromethylated polysulfone (Chloromethylated Udel) at a concentration of 5 wt% of dimethyl sulfoxide (DMSO) according to Preparation Example 1, 3eq. of N,N,2,2,6,6-Hexamethylpiperidin-4-amine. Was slowly added and reacted at 25° C. for 24 hours. After the reaction was completed, it was precipitated in an excess of distilled water and washed several times with third distilled water. The washed ion-exchanged polysulfone (TEMP-Quaterinized Udel) was vacuum dried at 60° C. for 24 hours.
<제조예 3> 이온교환기를 가지는 폴리술폰의 산화(TEMPO-Quaternized Udel)<Preparation Example 3> Oxidation of polysulfone having an ion exchange group (TEMPO-Quaternized Udel)
상기 제조예 2에 따라 이온교환된 폴리술폰(TEMP-Quaterinized Udel) 1g을 DMSO (dimethyl sulfoxide) 5wt% 농도로 완전히 용해시킨 후 제막한 뒤 60 ℃ 에서 24 시간 동안 건조시켰다. 건조된 상기의 이온교환막을 과량의 30wt% 과산화 수소에 Na2WO4를 용해한 솔루션에 담지하여 72시간 동안 상온에서 반응시켰다.. 반응된 음이온 교환막을 다시 수차례 증류수로 세척하였으며, 세척된 음이온교환막(TEMPO-Quaternized Udel)은 60 ℃에서 24시간 진공 건조하였다.1 g of ion-exchanged polysulfone (TEMP-Quaterinized Udel) according to Preparation Example 2 was completely dissolved in a concentration of 5 wt% of dimethyl sulfoxide (DMSO), and then formed into a film and dried at 60° C. for 24 hours. The dried ion exchange membrane was loaded in a solution in which Na 2 WO 4 was dissolved in an excess of 30 wt% hydrogen peroxide and reacted at room temperature for 72 hours. The reacted anion exchange membrane was washed again with distilled water several times, and the washed anion exchange membrane. (TEMPO-Quaternized Udel) was vacuum dried at 60° C. for 24 hours.
<실시예 및 비교예><Examples and Comparative Examples>
이온교환기 만을 가지는 폴리술폰(Quaternized Udel)을 비교예로 하여, 본원 발명의 제조예 3에 따라 제조한 사슬연장 이온교환기를 가지는 폴리술폰의 산화(TEMPO-Quaternized Udel)의 라디칼 스캐빈져(scavenger)의 존재 유무에 따른 OH- 라디칼에 대한 안정성을 평가하기 위해 가속화한 산화안정성 평가를 진행하였다.A radical scavenger of TEMPO-Quaternized Udel oxidizing polysulfone having a chain-extending ion-exchange group prepared according to Preparation Example 3 of the present invention using polysulfone having only an ion exchange group as a comparative example Accelerated oxidation stability evaluation was conducted to evaluate the stability against OH- radicals according to the presence or absence of.
산화안정성 평가의 실험 조건은 80 oC온도에서 1M NaOH soulution에 제조된 두 종의 음이온 교환소재를 담지 하여 시간의 지남에 따라 이온전도도의 변화를 관찰하였고, 이온전도도는 EIS(electrochemical impedance spectroscopy) 방법으로 상대습도 100% 질소 분위기 하에서 standard four prove cell을 사용하여 0.1-20 kHz의 주파수 범위에서 면 방향으로 측정하였으며, 측정장비는 Solatron 1280 장비를 이용하였다.Experimental conditions for the oxidation stability evaluation were observed changes in ion conductivity over time by supporting two types of anion exchange materials prepared in 1M NaOH soulution at a temperature of 80 o C, and the ion conductivity was determined by EIS (electrochemical impedance spectroscopy) method. In a nitrogen atmosphere with a relative humidity of 100%, measurements were made in the plane direction in a frequency range of 0.1-20 kHz using a standard four prove cell, and a Solatron 1280 instrument was used as the measurement equipment.
이온 전도도는 다음 식 1을 이용하여 계산하였다.The ionic conductivity was calculated using the following equation 1.
ionic conductivity (mS·cm -1 ) = l/R × S (식 1) ionic conductivity (mS cm -1 ) = l/R × S (Equation 1)
식 1에서 l은 전극간의 거리, S는 이온교환막의 두께, R은 이온 교환소재의 impedance 값이다.In Equation 1, l is the distance between electrodes, S is the thickness of the ion exchange membrane, and R is the impedance value of the ion exchange material.
도 4는 본원 발명의 일 구현예에 따른 사슬연장기 이온교환기를 가지는 음이온 교환소재의 산화안정성 시험결과를 나타낸 것으로, 80 oC 1M NaOH 수용액에서의 산화안정성 실험결과, 이온교환기만을 가지는 폴리술폰(비교예)는 가속화한 산화안정성 평가조건에서 약 4일 만에 막의 파단이 일어났다. 반면에 사슬연장 이온교환기를 가지는 폴리술폰의 산화(실시예)는 평가 조건하에서 30일 동안 이온전도도를 유지하였으며, 30일 이후에도 이온전도도를 40% 정도 유지하여 우수한 산화 안정성을 보이며, OH- 라디칼에 대한 안정성이 우수함을 알 수 있다.Figure 4 shows the results of the oxidation stability test of the anion exchange material having a chain extender ion exchange group according to an embodiment of the present invention, the results of the oxidation stability test in 80 o C 1M NaOH aqueous solution, polysulfone having only an ion exchange group In (Comparative Example), the film was fractured in about 4 days under the accelerated oxidation stability evaluation conditions. On the other hand oxidation of polysulfone having a chain extending the ion exchange group (Example) was maintaining the ionic conductivity for 30 days under the evaluation conditions, after 30 days showed a good oxidation stability, to maintain the ion conductivity of about 40%, OH - radical It can be seen that the stability is excellent.
Claims (10)
상기 탄화수소계 고분자를 할로겐화 하는 할로겐화 고분자 제조단계;
상기 할로겐화 고분자를 N,N,2,2,6,6-hexamethylpiperidin-4-amine을 이용한 4차화 반응(quaternization)을 통하여 음이온 전도성기를 가지는 고분자 제조단계; 및
상기 음이온 전도성기를 가지는 고분자의 피페리딘기(piperidine group)를 산화시키는 단계를 포함하여,
하기 화학식 화학식 5의 화학구조를 가지는 음이온 교환소재를 제조하는 것을 특징으로 하는 사슬연장기를 가지는 음이온 교환소재의 제조방법:
<화학식 1>
상기 화학식 1에서, M, M', M''은 각각 단일결합이거나 전자주게기로서 -O-, -S-, -NR'- (이때 R'은 수소원자이거나 C1 ~ C12 알킬기 중 어느 하나임), 또는 전자끌게기로서 -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2-, -(C(CF3)2)- 중 어느 하나이고, R1 ~ R8은 각각 수소원자이거나 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 시아노기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 각 반복 단위 내에 또는 반복 단위 당 동일하거나 상이할 수 있으며,
반복단위의 수인 n은 1 이상 100,000이하의 정수이고,
Ar은 하기 화학식 2와 같으며,
<화학식 2>
상기 화학식 2에서, M'''는 단일결합이거나 전자주게기로서 -O-, -S-, -NR'- (이때 R'은 수소원자이거나 C1 ~ C12 알킬기 중 어느 하나임), 또는 전자끌게기로서 -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2-, -(C(CF3)2)- 중 어느 하나이고, R9 ~ R20은 각각 수소원자이거나 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 시아노기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, 각 반복 단위 내에 또는 반복 단위 당 동일하거나 상이할 수 있고,
<화학식 5>
상기 화학식 5의 R''24 ~ R''27은 각각 Z1Q'X-Z2(2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥시드)로 표현되는 치환기이거나, R21 ~ R23와 마찬가지로 각각 수소원자이거나 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자, 아릴기, 시아노기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, Ar'''은 화학식 1의 Ar과 동일하거나 Ar의 각각의 페닐링은 적어도 하나의 Z1Q'X-Z2(2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥시드)로 표현되는 치환기를 가질 수 있고,
Z1은 C1 ~ C12의 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고,
Q'는 양이온화된 이온교환작용기로서 아민기로부터 유도된 암모늄기이거나 술포늄기, 포스포늄기, 피리디늄기, 카바졸륨기 및 이미다졸륨기이거나 베타인 및 술포베타인에서 선택되는 양쪽성 이온 교환 작용기 및 이들의 조합에서 선택되는 이온 교환체 또는 이들의 염 상태의 음이온 교환 작용기 중 어느 하나이며,
Z2는 단일결합이거나 C1 ~ C12의 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고,
X는 할로겐원자로서 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I) 중 어느 하나이다. A polymer production step of preparing a hydrocarbon-based polymer having a chemical structure represented by the following Formula 1 as a main chain;
Halogenated polymer manufacturing step of halogenating the hydrocarbon-based polymer;
A step of preparing a polymer having an anionic conductive group through quaternization of the halogenated polymer using N,N,2,2,6,6-hexamethylpiperidin-4-amine; And
Including the step of oxidizing the piperidine group (piperidine group) of the polymer having the anionic conductive group,
A method for producing an anion exchange material having a chain extender, characterized in that to prepare an anion exchange material having a chemical structure of the following formula (5):
<Formula 1>
In Formula 1, M, M', M'' are each a single bond or as an electron donor group -O-, -S-, -NR'- (In this case, R'is a hydrogen atom or a C 1 ~ C 12 alkyl group One), or any one of -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO 2 )-, -CF 2 -, -(C(CF 3 ) 2 )- , R 1 to R 8 are each hydrogen atom or an alkyl group, aryl group, allyl group, fluorine atom, aryl group including fluorine atom, cyano group, perfluoroalkyl group, oxygen, nitrogen, sulfur atom in the chain Any one selected from the group consisting of a perfluoroalkylaryl group, a perfluoroaryl group, and an -O-perfluoroaryl group including one or more may be the same or different within each repeating unit or per repeating unit,
N, the number of repeating units, is an integer of 1 or more and 100,000 or less,
Ar is the same as in Formula 2 below,
<Formula 2>
In Formula 2, M''' is a single bond or an electron donor group -O-, -S-, -NR'- (where R'is a hydrogen atom or any one of a C 1 to C 12 alkyl group), or an electron As a drag, any one of -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO 2 )-, -CF 2 -, -(C(CF 3 ) 2 )-, and R 9 to R 20 is a hydrogen atom or an alkyl group, an aryl group, an allyl group, a fluorine atom, an aryl group including a fluorine atom, a cyano group, a perfluoroalkyl group, and a chain containing at least one of oxygen, nitrogen, and sulfur atoms. It is any one selected from the group consisting of a perfluoroalkylaryl group, a perfluoroaryl group, and an -O-perfluoroaryl group, and may be the same or different within each repeating unit or per repeating unit,
<Formula 5>
R'' 24 to R'' 27 of Formula 5 are each a substituent represented by Z 1 Q'X - Z 2 (2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxide), or R Like 21 to R 23 , each is a hydrogen atom or a perfluoro containing at least one of oxygen, nitrogen, and sulfur atoms in its chain, such as an alkyl group, aryl group, allyl group, fluorine atom, aryl group, cyano group, perfluoroalkyl group. Is any one selected from the group consisting of a roalkylaryl group, a perfluoroaryl group, and an -O-perfluoroaryl group, and Ar''' is the same as Ar in Formula 1, or each phenyl ring of Ar is at least one May have a substituent represented by Z 1 Q'X- Z 2 (2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxide) ,
Z 1 is a C 1 to C 12 alkyl group, an aryl group, an allyl group, an aryl group containing a fluorine atom, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl containing at least one of oxygen, nitrogen, and sulfur atoms in its chain It is any one selected from the group consisting of an aryl group, a perfluoroaryl group and an -O-perfluoroaryl group,
Q'is an ammonium group derived from an amine group as a cationized ion exchange functional group, a sulfonium group, a phosphonium group, a pyridinium group, a carbazolium group and an imidazolium group, or an amphoteric ion exchange functional group selected from betaine and sulfobetaine And an ion exchanger selected from a combination thereof or an anion exchange functional group in a salt state thereof,
Z 2 is a single bond or a C 1 to C 12 alkyl group, an aryl group, an allyl group, an aryl group containing a fluorine atom, a perfluoroalkyl group, and a purple containing one or more of oxygen, nitrogen, and sulfur atoms in the chain It is any one selected from the group consisting of a luoroalkylaryl group, a perfluoroaryl group, and an -O-perfluoroaryl group,
X is a halogen atom and is any one of chlorine (Cl), bromine (Br), and iodine (I).
상기 할로겐화 고분자 제조단계는 클로로 메틸화 반응, 브롬화 반응 또는 요오드화 반응을 통하여 하기 화학식 3의 화학구조를 가지는 할로겐화 고분자를 제조하는 것을 특징으로 하는 사슬연장기를 가지는 음이온 교환소재의 제조방법:
<화학식 3>
상기 화학식 3의 Z1은 C1 ~ C12의 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, X는 할로겐원자로서 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I) 중 어느 하나 이며, R21 ~ R23은 각각 수소원자이거나 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 시아노기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, R24 ~ R27은 각각 Z1X가 되거나 R21 ~ R23와 마찬가지로 각각 수소원자이거나 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 시아노기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, Ar'은 화학식 1의 Ar과 동일하거나 Ar의 각각의 페닐링은 적어도 하나의 Z1X로 표현되는 치환기를 가질 수 있다.The method according to claim 1,
The manufacturing step of the halogenated polymer is a method for producing an anion exchange material having a chain extender, characterized in that the halogenated polymer having the chemical structure of the following formula (3) is prepared through a chloromethylation reaction, a bromination reaction, or an iodination reaction:
<Formula 3>
Z 1 in Formula 3 is a C 1 to C 12 alkyl group, an aryl group, an allyl group, an aryl group containing a fluorine atom, a perfluoroalkyl group, and a chain containing at least one of oxygen, nitrogen, and sulfur atoms. Any one selected from the group consisting of a perfluoroalkylaryl group, a perfluoroaryl group, and an -O-perfluoroaryl group, and X is a halogen atom among chlorine (Cl), bromine (Br), and iodine (I). And R 21 to R 23 are each hydrogen atom or an alkyl group, aryl group, allyl group, fluorine atom, aryl group including a fluorine atom, cyano group, perfluoroalkyl group, oxygen, nitrogen, Any one selected from the group consisting of a perfluoroalkylaryl group, a perfluoroaryl group, and an -O-perfluoroaryl group containing at least one sulfur atom, and R 24 to R 27 are each Z 1 X, or Like R 21 to R 23 , each is a hydrogen atom or an alkyl group, aryl group, allyl group, fluorine atom, aryl group including fluorine atom, cyano group, perfluoroalkyl group, oxygen, nitrogen, sulfur atom in the chain Any one selected from the group consisting of a perfluoroalkylaryl group, a perfluoroaryl group, and an -O-perfluoroaryl group including one or more, and Ar' is the same as Ar in Formula 1 or each phenyl of Ar The ring may have at least one substituent represented by Z 1 X.
상기 사슬연장기를 가지는 음이온 교환소재는 하기 화학식 4의 화학구조를 가지는 것을 특징으로 하는 사슬연장기를 가지는 음이온 교환소재의 제조방법:
<화학식 4>
상기 화학식 4의 Q'는 양이온화된 이온교환작용기로서 아민기로부터 유도된 암모늄기이거나 술포늄기, 포스포늄기, 피리디늄기, 카바졸륨기 및 이미다졸륨기이거나 베타인 및 술포베타인에서 선택되는 양쪽성 이온 교환 작용기 및 이들의 조합에서 선택되는 이온 교환체 또는 이들의 염 상태의 음이온 교환 작용기 중 어느 하나이고, Z2는 단일결합이거나 C1 ~ C12의 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, R'24 ~ R'27은 각각 Z1Q'X-Z2(2,2,6,6-테트라메틸피페리딘)로 표현되는 치환기이거나, R21 ~ R23와 마찬가지로 각각 수소원자이거나 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 시아노기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, 또한 화학식 4의 Ar''는 화학식 1의 Ar과 동일하거나 Ar의 각각의 페닐링은 적어도 하나의 Z1Q’X-Z2(2,2,6,6-테트라메틸피페리딘)로 표현되는 치환기를 가질 수 있다. The method according to claim 1,
The method for producing an anion exchange material having a chain extender, characterized in that the anion exchange material having a chain extender has a chemical structure represented by the following formula (4):
<Formula 4>
Q'in Formula 4 is an ammonium group derived from an amine group as a cationized ion-exchange functional group, a sulfonium group, a phosphonium group, a pyridinium group, a carbazolium group and an imidazolium group, or both selected from betaine and sulfobetaine. An ion exchanger selected from a sexual ion exchange functional group and a combination thereof or an anion exchange functional group in a salt state thereof, and Z 2 is a single bond or a C 1 to C 12 alkyl group, aryl group, allyl group, fluorine The group consisting of an aryl group containing an atom, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkylaryl group containing at least one of oxygen, nitrogen, and sulfur atoms in the chain, a perfluoroaryl group, and an -O-perfluoroaryl group is one selected from, R '24 ~ R' 27 are each Z 1 Q'X - or substituents represented by Z 2 (2,2,6,6- tetramethyl-piperidine), R 21 ~ R 23 Likewise, each is a hydrogen atom or contains at least one of an alkyl group, an aryl group, an allyl group, a fluorine atom, an aryl group containing a fluorine atom, a cyano group, a perfluoroalkyl group, and at least one of oxygen, nitrogen, and sulfur atoms in its chain. Any one selected from the group consisting of a perfluoroalkylaryl group, a perfluoroaryl group, and an -O-perfluoroaryl group, and Ar'' in Formula 4 is the same as Ar in Formula 1 or each phenyl of Ar ring is at least one Z 1 Q'X - may have a substituent represented by Z 2 (2,2,6,6- tetramethyl-piperidine).
하기 화학식 5의 화학구조를 가지는 것을 특징으로 하는 사슬연장기를 가지는 음이온 교환소재:
<화학식 5>
상기 화학식 5에서, M, M', M''은 각각 단일결합이거나 전자주게기로서 -O-, -S-, -NR'- (이때 R'은 수소원자이거나 C1 ~ C12 알킬기 중 어느 하나임), 또는 전자끌게기로서 -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2-, -(C(CF3)2)- 중 어느 하나이고,
반복단위의 수인 n은 1 이상 100,000이하의 정수이며,
Ar'''은 하기 화학식 2와 같거나 Ar'''의 각각의 페닐링은 적어도 하나의 Z1Q’X-Z2(2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥시드)로 표현되는 치환기를 가질 수 있고,
<화학식 2>
상기 화학식 2에서, M'''는 단일결합이거나 전자주게기로서 -O-, -S-, -NR'- (이때 R'은 수소원자이거나 C1 ~ C12 알킬기 중 어느 하나임), 또는 전자끌게기로서 -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO2)-, -CF2-, -(C(CF3)2)- 중 어느 하나이고, R9 ~ R20은 각각 수소원자이거나 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 시아노기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 각 반복 단위 내에 또는 반복 단위 당 동일하거나 상이할 수 있으며,
R21 ~ R23은 각각 수소원자이거나 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자, 아릴기, 시아노기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고,
R''24 ~ R''27은 각각 R21 ~ R23와 동일하거나 Z1Q'X-Z2(2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥시드)로 표현되는 치환기일 수 있으며,
Z1은 C1 ~ C12의 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고,
Q'는 양이온화된 이온교환작용기로서 아민기로부터 유도된 암모늄기이거나 술포늄기, 포스포늄기, 피리디늄기, 카바졸륨기 및 이미다졸륨기이거나 베타인 및 술포베타인에서 선택되는 양쪽성 이온 교환 작용기 및 이들의 조합에서 선택되는 이온 교환체 또는 이들의 염 상태의 음이온 교환 작용기 중 어느 하나이며,
Z2는 단일결합이거나 C1 ~ C12의 알킬기, 아릴기, 알릴기, 플루오린 원자를 포함하는 아릴기, 퍼플루오로알킬기, 그 쇄에 산소, 질소, 황 원자 중 하나 이상을 포함하는 퍼플루오로알킬아릴기, 퍼플루오로아릴기 및 -O- 퍼플루오로아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고,
X는 할로겐원자로서 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I) 중 어느 하나이다.It is manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 3,
Anion exchange material having a chain extension group, characterized in that it has the chemical structure of the following formula (5):
<Formula 5>
In Formula 5, M, M', M'' are each a single bond or as an electron donor group -O-, -S-, -NR'- (In this case, R'is a hydrogen atom or a C 1 ~ C 12 alkyl group One), or any one of -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO 2 )-, -CF 2 -, -(C(CF 3 ) 2 )- ,
N, the number of repeating units, is an integer of 1 or more and 100,000 or less,
Ar '''are the same or to the formula Ar 2' each phenyl ring of the "" is at least one of Z 1 Q'X - Z P 2 (2,2,6,6- tetramethyl-piperidine oxide -N- Seed) may have a substituent represented by,
<Formula 2>
In Formula 2, M''' is a single bond or an electron donor group -O-, -S-, -NR'- (where R'is a hydrogen atom or any one of a C 1 to C 12 alkyl group), or an electron As a drag, any one of -(C=O)-, -(P=O)-, -(SO 2 )-, -CF 2 -, -(C(CF 3 ) 2 )-, and R 9 to R 20 is a hydrogen atom or an alkyl group, an aryl group, an allyl group, a fluorine atom, an aryl group including a fluorine atom, a cyano group, a perfluoroalkyl group, and a chain containing at least one of oxygen, nitrogen, and sulfur atoms. Any one selected from the group consisting of a perfluoroalkylaryl group, a perfluoroaryl group, and an -O-perfluoroaryl group may be the same or different within each repeating unit or per repeating unit,
R 21 to R 23 are each a hydrogen atom or a perfluoro containing one or more of an alkyl group, an aryl group, an allyl group, a fluorine atom, an aryl group, a cyano group, a perfluoroalkyl group, and an oxygen, nitrogen, and sulfur atom in its chain. It is any one selected from the group consisting of a roalkylaryl group, a perfluoroaryl group, and an -O-perfluoroaryl group,
R'' 24 to R'' 27 are each the same as R 21 to R 23 or represented by Z 1 Q'X - Z 2 (2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxide) May be a substituent,
Z 1 is a C 1 to C 12 alkyl group, an aryl group, an allyl group, an aryl group containing a fluorine atom, a perfluoroalkyl group, a perfluoroalkyl containing at least one of oxygen, nitrogen, and sulfur atoms in its chain Any one selected from the group consisting of an aryl group, a perfluoroaryl group, and an -O-perfluoroaryl group,
Q'is an ammonium group derived from an amine group as a cationized ion exchange functional group, a sulfonium group, a phosphonium group, a pyridinium group, a carbazolium group and an imidazolium group, or an amphoteric ion exchange functional group selected from betaine and sulfobetaine And an ion exchanger selected from a combination thereof or an anion exchange functional group in a salt state thereof,
Z 2 is a single bond or a C 1 to C 12 alkyl group, an aryl group, an allyl group, an aryl group containing a fluorine atom, a perfluoroalkyl group, and a purple containing one or more of oxygen, nitrogen, and sulfur atoms in the chain It is any one selected from the group consisting of a luoroalkylaryl group, a perfluoroaryl group, and an -O-perfluoroaryl group,
X is a halogen atom and is any one of chlorine (Cl), bromine (Br), and iodine (I).
상기 전기화학 장치는 레독스 플로우 전지, 전기투석 장치, 역전기투석 장치, 축전식 탈염장치 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기화학 장치.The method of claim 9,
The electrochemical device is an electrochemical device, characterized in that any one of a redox flow battery, an electrodialysis device, a reverse electrodialysis device, and a capacitive desalination device.
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