[发明专利]一种具有高质子导电性能的三维配位聚合物及其制备方法和应用

说明书

本发明属于配位聚合物技术领域，具体涉及一种具有高质子导电性能的三维配位聚合物及其制备方法和应用。所述三维配位聚合物的化学式为：{[Cusubgt;3/subgt;(OH)(btb)subgt;2/subgt;(Hsubgt;2/subgt;O)(HPsubgt;2/subgt;Mosubgt;5/subgt;Osubgt;23/subgt;)]·6Hsubgt;2/subgt;O}subgt;n/subgt;，btb为1,3‑二（4氢‑1,2,4‑三唑‑4‑基）苯，所述三维配位聚合物属于三斜晶系，P‒1空间群，晶胞参数：a=12.354(5)Å，b=12.473(5)Å，c=16.411(6)Å，α=83.430(12)°，β=78.700(12)°，γ=63.368(10)°。本发明的三维配位聚合物及其制备的复合膜，具有较高的质子导电率，是极具潜力的质子传导材料。

技术领域

本发明属于配位聚合物技术领域，具体涉及一种具有高质子导电性能的三维配位聚合物及其制备方法和应用。

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。

近年来，一些晶态材料由于在质子交换膜燃料电池中的潜在应用而受到广泛的关注，如金属有机骨架,氢键有机骨架等。其中，基于多金属氧酸盐的配位聚合物，具有结构的可设计性和可调性，可以通过功能化的反应物来设计和合成具有优异质子导电性能的晶态材料；另外能够通过X射线单晶技术精确地进行结构分析，并直观地探测其质子传输路径，从而进一步确定结构-质子传导功能之间的关系，揭示质子传导的机理，为进一步设计和合成具有高质子导电性能的材料提供理论依据。目前，基于多金属氧酸盐的配位聚合物材料改性Nafion膜以提高其质子传导率的报道很少。

发明内容

本发明提出了一种具有高质子导电性能的三维配位聚合物及其制备方法和应用。本发明的三维配位聚合物及其制备的复合膜，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：