质子型分子复合多孔框架材料的制备及质子传导性能研究

来源 :哈尔滨师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ChampionHan
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为了应对能源危机和环境问题,燃料电池作为可利用清洁新能源的电化学装置一直备受关注。其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)可直接利用氢能源,已经应用到实际当中,改善质子交换膜(PEM)的性能成为PEMFC研究的重点之一。本文通过将几种质子型分子(Br?nsted酸、离子液体和硫酸盐)负载到多孔框架材料中,获得具有良好质子传导性能的复合材料。利用浸泡法将Br?nsted酸(BAs:H2SO4和H3PO4)负载到SNW-S(高交联度)和SNW-M(低交联度)中,制备得到BA@SNW复合材料,并将复合材料与PVA/PVP混合制备复合基质膜(BA@SNW/PP)。测试结果显示,H2SO4@SNW-M具有优于其他复合材料的质子传导速率(4.96×10-3 S cm-1);将H2SO4@SNW-M与PVP/PVDP掺杂,得到的杂化膜具有8.02×10-3 S cm-1的质子传到速率,是相同条件下H2SO4@SNW-M-和H3PO4@SNW-S/M-杂化膜的2倍。采用原位法制备质子型离子液体(PCILs)负载的双元共价有机框架(Tp-BT:PCILs)膜。质子型离子液体([EMIm]HSO4)与富氮骨架结构(-NH-、-NH2和C=N+)形成丰富的“酸碱对”,有利于连续氢键网络的构建。协同作用使得Tp-BT:PTSA-HSO4复合材料在低温(243 K)和中等湿度下,仍具有高达2.87×10-4S cm-1的质子传导速率。将硫酸盐负载到金属有机骨架材料(MOF-1)的孔道中,制备得到的硫酸盐@MOF-1复合材料。硫酸盐的强吸水性导致复合材料在高湿度条件下的水蒸气吸附量都较MOF-1有所增加。同时,金属阳离子与水分子形成水合离子簇作为质子传输的位点,而SO42-可以作为质子的受体和供体,从而丰富了质子传导的通路,并提高了质子传导性能,降低了质子传递过程的活化能。测试结果表明硫酸盐@MOF-1复合材料均表现出超越MOF-1的质子传导性能,其中Ce(SO42@MOF-1的质子传到速率最高(323 K,4.91×10-3 S cm-1)。
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