[发明专利]二组分氢键共晶化合物及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种二组分氢键共晶化合物及其制备方法和应用，属于材料合成技术领域。二组分氢键共晶化合物化学分子式为：(C₂N₃H₂)⁺(HC₄O₄)^‑，三氮唑与方酸通过N̶H…O氢键连接。以方酸和三氮唑作为反应底物，在最佳摩尔比的条件下，以甲醇为溶剂，混合结晶，形成分子式为(C₂N₃H₂)⁺(HC₄O₄)^‑的二组分氢键共晶化合物，其中方酸和三氮唑通过N̶H…O氢键稳定连接，经测定，二组分氢键共晶化合物的电导率为8.9×10^‑8 S/cm(30℃)，三维氢键网络结构为类蜂巢状，热分解温度高达182℃，可作为一种潜在的质子导电材料用于替代传统的价格昂贵的全氟磺酸膜。二组分氢键共晶化合物的制备方法工艺简单、成本低廉、重复性好、产率高达95%以上，具有广泛的推广应用前景。

技术领域

本发明属于材料合成技术领域，具体涉及一种二组分氢键共晶化合物及其制备方法和应用。

背景技术

质子传导和质子导电材料在电池、电化学传感器、水／蒸汽电解以及生物系统中起着越来越重要的作用。传统的质子导电材料以全氟磺酸膜为主要代表，但是其价格高昂，且具有潜在的氟风险，开发新型低成本、无氟的聚合物质子交换膜，以替代传统的价格高昂的全氟磺酸膜是质子导电材料领域的研究热点。

氢键型的质子导电材料是一类通过氢键连接的离子团或者分子，使其形成链状或者框架结构。其在通电的条件下，可利用质子传递导电，具有制备简单、价格便宜、无金属、可循环利用等优点，具有广泛的应用前景。然而，由于氢键在高温时容易遭到破坏，使其本来连接在一起的结构分解，导电率会相应的降低，因此，有必要合成一种导电性能优秀且热稳定性好的氢键型的质子导电材料。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种导电性能优秀且热稳定性好的二组分氢键共晶化合物，该二组分氢键共晶化合物能够作为质子传导或质子导电材料，以期待其替代传统的价格高昂且含氟的全氟磺酸膜。

本发明还提供一种工艺简单、成本低廉、重复性好、产率高的二组分氢键共晶化合物的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种二组分氢键共晶化合物，所述二组分氢键共晶化合物化学分子式为：(C₂N₃H₂)⁺(HC₄O₄)^-，分子结构如式 Ⅰ 所示，

式 Ⅰ

式中，三氮唑与方酸通过 N ̶ H…O 氢键连接。

一种如上所述的二组分氢键共晶化合物的制备方法，包括以下步骤：

a.确定方酸与三氮唑的最佳摩尔比；

b.称取方酸，并将方酸加入甲醇溶液中，完全溶解，制备方酸甲醇溶液；

c.按照步骤a所得到的最佳摩尔比，称取三氮唑，并将三氮唑加入甲醇溶液中，完全溶解，制备三氮唑甲醇溶液；

d.将步骤b制备的方酸甲醇溶液与步骤c制备的三氮唑甲醇溶液在室温下混合，过滤，静置，得到无色片状晶体，即为二组分氢键共晶化合物。

优选地，确定方酸与三氮唑的最佳摩尔比的方法具体包括以下步骤：

a1.按照不同的摩尔比例，称取若干组方酸和三氮唑，并将方酸和三氮唑分别加入甲醇溶液中，完全溶解，制备方酸甲醇溶液和三氮唑甲醇溶液；