[发明专利]一种具有含氮微孔结构的中高温质子传导材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有含氮微孔结构的中高温质子传导材料及其制备方法，属于质子传导新材料制备方法领域。本发明制备的材料具有含氮的碱性位点用来稳定孔道中吸附的磷酸，将非挥发性的磷酸掺杂到多孔的骨架中，能够形成连续的氢键网络，不仅提升了材料的质子传导性能，还具有良好的稳定性，磷酸在主体骨架中不会因为加热或处于潮湿环境下流失，该材料在120度时质子传导率能够达到1.26×10^‑3S·cm^‑1。

技术领域

本发明属于质子传导材料制备方法领域，具体涉及一种具有含氮微孔结构的中高温质子传导材料及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，是未来移动式储能设备的首选能源。质子交换膜为电池内部质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着决定性的作用。

迄今最常用的质子交换膜(PEMFC)仍然是美国杜邦公司的Nafion膜，具有质子传导率高和化学稳定性好的优点，但Nafion系列膜仍存在下述缺点：(1)制作困难、成本高，全氟物质的合成和磺化都非常困难，而且在成膜过程中的水解、磺化容易使聚合物变性、降解，使得成膜困难，导致成本较高；(2)对温度和含水量要求高，Nafion系列膜的最佳工作温度为70～90℃，超过此温度会使其含水量急剧降低，导电性迅速下降，使得通过提高工作温度来加快电极反应速度和克服催化剂中毒的目标难以实现；(3)某些碳氢化合物，如甲醇等，渗透率较高，因此Nafion系列膜不适合用作直接甲醇燃料电池(DMFC)的质子交换膜。因而，寻求低成本、高效能的新型质子传导材料具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有含氮微孔结构的中高温质子传导材料及其制备方法，以解决现有的质子传导材料生产成本高，制备工艺复杂，在高温和较低湿度条件下质子传导率大幅降低的问题，本发明制备的材料具有高的质子传导率和宽的可操作温度范围。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有含氮微孔结构的中高温质子传导材料，其结构式如式(Ⅰ)所示：

一种具有含氮微孔结构的中高温质子传导材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将2,4,6-三氨基嘧啶和2,4,6-三羟基-1,3,5-苯三甲醛放入反应容器中，加入反应溶剂和催化剂，在100～130℃下反应5～6天，得到混合液；

步骤二：将步骤一得到的混合液分别用N，N-二甲基甲酰胺和甲醇溶液冲洗去除能够溶解的有机物，然后用甲醇对产物索式提取1～2天后干燥，得到具有含氮微孔结构的粉末材料；

步骤三：将步骤二得到的粉末材料浸泡在浓磷酸中3～5天，然后进一步过滤得到负载磷酸的固体分散物，将该固体分散物干燥即得到具有含氮微孔结构的中高温质子传导材料。

进一步地，所述的2,4,6-三氨基嘧啶和2,4,6-三羟基-1,3,5-苯三甲醛的摩尔比为1:1。

进一步地，所述的反应溶剂为二氯苯、丁醇、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、1,4-二氧六环或1,3,5-三甲苯。

进一步地，所述的催化剂为乙酸。

进一步地，所述乙酸的浓度为6mol/L。

进一步地，所述催化剂与反应溶剂的体积比为2:5。

进一步地，步骤二中干燥具体为：在60～100℃真空干燥机内干燥12小时。

进一步地，步骤三中干燥具体为：在100～150℃真空干燥机内干燥12小时。