[发明专利]一种含羧基的磺化聚芳醚酮砜/Im-Uio-66-AS复合的质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含羧基的磺化聚芳醚酮砜与Im‑UiO‑66‑AS共混的复合型质子交换膜及其制备方法，选用的聚合物基质为含羧基的磺化聚芳醚酮砜（DS=60%）。聚合物基质中的–COOH可以与Zr⁴⁺配位，加强与Im‑UiO‑66‑AS的作用力。Im‑UiO‑66‑AS可以提供两个质子源和四个跳跃位点，为提高杂化膜的质子传导率和化学稳定性做出显著贡献。具体组成成分为：以含羧基的磺化聚芳醚酮砜（C‑SPAEKS）为有机基质，Im‑Uio‑66‑AS为填料。实验表明，本发明所制备的杂化膜的厚度在30‑41μm，表现出优异的化学性能。相比较于纯C‑SPAEKS（30^oC为0.0869 S/cm，80^oC为0.1609 S/cm），C‑SPAEKS‑3%Im‑UiO‑66‑AS（30^oC为0.1256 S/cm，80^oC为0.2338 S/cm）表现出极大的提升，约为纯膜的1.5倍，约为Nafion117(0.1003 S cm‑1 at 80^oC)的2.33倍。

技术领域

此项发明的研究领域是高分子化学与功能膜材料，具体表现为一种含羧基的磺化聚芳醚酮砜与咪唑磺酸双功能化的Uio-66-NH₂（Im-Uio-66-AS）共混的质子交换膜及其制备方法。

背景技术

燃料电池因其低排放和高转换效率而被认为是有前途的清洁能源之一。质子交换膜（Proton exchange membranes, PEMs）由于是环境友好型燃料电池的关键部件而受到越来越多的关注。在聚合物电解质中，美国Dupont公司研发的全氟磺酸膜（Nafion）因为有较高的传导性而被广泛的应用，然而，Nafion的高成本、高甲醇渗透，高温条件下性能迅速下降等限制了它们在燃料电池中的应用。因此，设计和合成全氟磺酸膜的替代材料是我们目前需要攻克的难关。

聚芳醚砜的耐热等级高、力学性能优良，是一类十分重要的高性能聚合材料，与此同时，其介电性能好，可以以其质子传导性为导向，将聚芳醚砜经过磺化改造，可以大幅度提升其质子传导能力，这种材料可以应用于PEMs。金属有机框架（Metal-OrganicFrameworks, MOFs）由于具有较大的比表面积、可容纳多种客体分子等特点，被广泛应用于燃料电池领域。然而，大多数 MOFs 的结构在高温和高湿条件下不稳定且容易坍塌，这严重限制了它们在器件中的应用。因此，战略性地提高质子传导性和保持材料的结构稳定性是其进一步作为PEMs 器件应用的极其重要的基础。实现质子高传输和实现质子高电导率的必要条件是增加其质子跳跃位点和质子源的数目，因为载流子浓度和迁移率分别与质子源和跳跃频率正相关。可以增加质子跳跃位点和质子源的数目，从而赋予材料高的质子导电性能。

发明内容