[发明专利]一种羧酸-氨基胍构筑的具有高质子导电性能的氢键有机骨架材料的制备方法及应用

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种羧酸‑氨基胍构筑的具有高质子导电性能的氢键有机骨架材料的制备方法及应用。该有机骨架材料的化学式为[(CNsubgt;4/subgt;Hsubgt;7/subgt;)(Csubgt;10/subgt;Osubgt;8/subgt;Hsubgt;5/subgt;)]，该有机骨架材料属于三斜晶系，P‒1空间群，晶胞参数：a=7.9901(4)Å，b=9.6412(3)Å，c=9.6724(4)Å，α=96.322(3)°，β=113.876(4)°，γ=93.633(3)°。本发明的羧酸‑氨基胍构筑的氢键有机骨架材料及其制备的复合膜，具有较高的质子电导率，是极具潜力的质子传导材料。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种羧酸-氨基胍构筑的具有高质子导电性能的氢键有机骨架材料的制备方法及应用。

背景技术

燃料电池直接将可再生的化学能转化为电能，具有高的理论效率和功率密度，是一种非常有前途的环境友好型发电装置。目前的燃料电池主要有：质子交换膜燃料电池(PEMFCs)；磷酸燃料电池(PAFCs)；固体氧化物燃料电池(SOFCs)和碱性燃料电池(AFC)。其中质子交换膜燃料电池因突出的优势如绿色高效、超低排放、高功率密度、启动速度快等，被认为是最具有潜力的替代传统能源的候选者。在典型的H₂/O₂质子交换膜燃料电池装置中，H₂在阳极被氧化生成H⁺质子，而产生的电子通过一个外部电路转移到阴极，从而产生电流，与此同时，氢质子通过质子交换膜(PEM)到达阴极，将化学能转化为电能。由于产物只有水，这种转换系统被认为是一种清洁的且可持续发展的技术。质子交换膜燃料电池中，质子交换膜作为整个系统的核心部件，需要满足几个条件：较高的质子电导率(＞10^-2Scm^-1)；具有良好的化学及热稳定性；优越的气阻性能；良好的膜(薄膜)机械性能和加工性能；与其他部件如双极板和电极材料相容性好；成本低；易于大规模生产。第一个在燃料电池的应用的是1960年杜邦公司生产的Nafion,是一种全氟磺化聚合物。它具有优异的质子导电性能(10^-1-10^-2S cm^-1)，然而其温度使用范围具有一定的局限性，在温度大于80℃或者低于-5℃，质子导电性能会被破坏。另外其较高的成本和复杂的合成工艺也进一步限制了它的应用。另一方面，作为非晶态材料，难以探究其质子传导行为和质子传输路径。因此，开发新型、低成本及性能优良的晶态质子导电材料成为化学领域的一个热门研究课题。

由有机小分子单体通过氢键、π-π堆积以及范德华相互作用通过自组装构成的氢键有机骨架材料(HOFs)，作为一种新型的晶态多孔材料，凭借其大比表面积、高孔隙率、低密度、高吸附性等性能，逐渐成为多孔有机骨架材料(POPs)的一个有力分支。相比与无机金属和有机单元连接构成的金属有机骨架(Metal-Organic Frameworks，MOFs)，HOFs回避了金属节点，具有较低的密度和较大的理论空隙体积。另一方面，与COFs相比，参与HOFs组装的弱相互作用有利于较大单晶体的形成，通过单晶X衍射结构分析，可以获得详细的化合物的结构信息，进而能够进行更多的动力学分析。氢键有机骨架材料的制备非常简单，避免了繁琐的操作合成。目前，利用氢键有机骨架材料改性Nafion膜以提高其质子传导率的报道仅有两例。

发明内容

本发明提出了一种羧酸-氨基胍构筑的具有高质子导电性能的氢键有机骨架材料的制备方法及应用。本发明的羧酸-氨基胍构筑的氢键有机骨架材料及其制备的复合膜，具有较高的质子导电率，是极具潜力的质子传导材料。

本发明具体采用以下技术方案：