中低温多孔晶体复合质子导体的制备与性能研究

作     者：谭威 

作者单位：哈尔滨师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张凤

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0702[理学-物理学] 

主      题：质子传导能力 金属有机框架材料 共价有机框架材料 聚合膜 

摘      要：燃料电池是一种新型且高效的绿色清洁能源技术,可缓解当今社会所面临的能源和环境问题。而质子交换膜燃料电池是一种重要的燃料电池类型,质子交换膜是其关键组件之一,能起到传导质子、隔绝电子和阴阳两极的反应物的作用,因此,开发高质子电导率的质子交换膜具有重要意义。本文将有利于质子传导的客体分子负载或嫁接到MOF、COF孔隙中或框架上,通过客体分子的性质,达到提高质子电导率的目的。利用水热法及简单的溶剂浸渍法合成了金属有机骨架MOF-1、CFSOH@MOF-1和HSO@MOF-1复合材料,通过这三种材料的质子传导性能对比发现,CFSOH@MOF-1复合材料的最高电导率是MOF-1的16倍。紧接着,又以CS为基底材料,以CFSOH@MOF-1作为填料制备复合膜。由于CS有较多胺基基团,而CFSOH@MOF-1内部存在磺酸基团,两者可形成酸碱对,能有效地提高质子传导能力,结果发现,15%CFSOH@MOF-1/CS在76%RH和328 K时显示出最高的质子电导率,为1.01×10 S cm,是CS的2倍。首先利用溶剂热法合成COF1,利用原位合成的方法合成类似于离子液体的阴阳离子样品ILs@COF1-SOH,通过交流阻抗测试发现F-COF1-SOH比P-COF1-SOH和S-COF1-SOH具有更好的质子传导性能,比COF1要高18倍(3.5×10 S cm)。再与PVA/PAMPS基底膜进行不同含量的掺杂,得到一系列的复合膜,而15%wt复合膜在低湿度下(23%RH和34%RH)的质子传导性能均高于PVA/PAMPS膜,其中F-COF1-SOH@PVA/PAMPS的质子性能最好,是因为F的电负性高,能有效地构建氢键网络,从而实现质子传输。利用溶剂热反应,将1,3,5-三甲酰基间苯三酚(Tp)和三氨基胍硝酸盐(T-Cl)通过希夫碱缩合反应制备TT-Cl,并通过原位合成法将POCl嫁接到TT-Cl骨架上得到了四种比例的HPO@TT-Cl复合材料。在76%RH和338 K时,HPO@TT-Cl-3存在最大的质子电导率(3.04×10 S cm),比TT-Cl(2.79×10 S cm)高出3个数量级。最令人惊奇的是,HPO@TT-Cl-3在无水条件下也有一定的质子电导率,即使电导率不高(～10 S cm),但此质子导体在未来有望于应用于无水条件下的质子交换膜。