[发明专利]一种离子型氢键有机框架材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于离子型氢键有机框架材料的制备领域，具体公开了一种具有质子传导性能的离子型氢键有机框架材料，其化学式为：{TPE‑SO₃H·2(DBD)·2(DMF)·4(H₂O)}_n，其中，n为正整数，TPE‑SO₃H为1,1,2,2‑四磺酸苯基乙烯，DBD为(C₅NH₄NH₂)₂²⁺，DMF为N,N'‑二甲基甲酰胺。结构单元属于三斜晶系，空间群为P‑1，分子式为C₅₂H₆₂N₁₀O₁₈S₄，晶胞参数：α＝102.789°,β＝99.968°,γ＝112.169°,每个重复单元包含四个水分子和两个DMF分子、两个DBD分子及一个TPE‑SO₃H分子，DBD分子上的氨基与TPE‑SO₃H分子上的磺酸根与水分子形成一维的氢键网络。该材料具有良好的热稳定性，对质子运输有较好的性能。本发明公开了其制备方法，合成原料易得，制备工艺简单。本发明的离子型氢键有机框架材料可作为质子导电材料，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于氢键有机框架材料的制备领域，具体涉及一种离子型氢键有机框架材料及其制备方法和应用。

背景技术

迈入21世纪以来，随着世界的快速发展和进一步推进城市化，我们对能源的需求越来越大，寻找可再生的清洁能源迫在眉睫。在众多新能源中，质子交换膜燃料电池对环境的污染程度较轻，能够不通过燃烧的方式直接将燃料转化为电能，能够有效的推动能源的可持续发展，避免了化石燃料的局限性。质子交换膜燃料电池具有高效节能、启动快速、燃料种类广泛、使用寿命长等优点。质子交换膜主要是杜邦公司生产的Nafion系列全氟磺酸膜，但是其制备工艺复杂，价格昂贵，并且只能在70-120℃温度内工作，超过该温度范围后膜内含水量明显减少，导电率下降。因此设计合成能够在高温不增湿或者低增湿条件下性能优异且成本低廉的质子传导材料具有重大科学意义和应用前景。

氢键有机框架(Hydrogen-Bonded Organic Frameworks，HOFs)材料是与金属有机框架(MOFs)研究并行，在近年来被密切相关的超分子结构。在HOFs中，接头连接是通过氢键网络而不是无机建筑单元，氢键提供了更加简单的连接方式，所以HOF可以更容易的实现稳定的氢键超分子网络的设计和合成，并且更加易于回收。由于其不含有重离子，从而提供了更加环保的解决方案。氢键有机框架(HOFs)在能源气体储存、选择性分离、催化、小分子识别，质子传导等方面展现出丰富的应用价值，近年来一直是国际学术研究热点。从结构的角度来看，HOF中的建筑单元和H键连接使它们成为理想的导电材料。具体而言，建筑单元的氢键供体/受体基团可以用作质子源或载体，而广泛的氢键提供了多种质子运输途径。HOF的灵活性和溶液可加工性的特征为膜制造开辟了新的可能性。HOFs作为导体的另一个优点是大多数HOFs都对湿度稳定，有利于质子传导。相反，大多数MOF在潮湿环境中不稳定。由于现在所报道的氢键有机框架材料稳定性较差，而我们所合成的氢键有机框架材料加入了离子键，增强了材料的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种离子型氢键有机框架材料及其制备方法和应用，解决了现有氢键有机框架材料稳定性的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种离子型氢键有机框架材料，该离子型氢键有机框架材料的化学式为：{TPE-SO₃H·2(DBD)·2(DMF)·4(H₂O)}_n，其中，n为正整数，TPE-SO₃H为1,1,2,2-四磺酸苯基乙烯，DBD为(C₅NH₄NH₂)₂²⁺，DMF为N,N'-二甲基甲酰胺。