基于离子液体质子导电复合物的构筑和性能研究

Nowadays, it is one fundamental object for the construction of novel solid ionic conductivity and the study of conductive mechanism in chemistry. Related research is full of challenge, and such project has important academic significance. On the basis of research status and our research results in coordination polymers, in this project, we will take use of the optional protonated ionic liquid and organic ligand, and introduce them into layered coordination complexes. By the crystallographical method, and combination ways, we will investigate the layered coordination complexes with proton transport channel, and carry out the study of proton conductivity. By optimizing related factors, we aim to discussion the constraint rules of channel existence, and the influences of all kinds of channel’s properties, and the influence of transport channel. We try to explore the size, shape and physical properties of the channel, especially the inner character of the channel, for example the acidity and concentration of ion carriers. Another purpose is trying to understand the relationship between the functional groups and the proton conductivity in the molecular level. Moreover, we are trying to make the conductive mechanism clear, and study the potential application in other electrochemical device.

新型质固体质子导体材料的合成以及对其导电机理的探索是当前国际的一个重要课题，对其进行研究是一极富挑战性的重要方向，具有重要的学术意义。鉴于国内外该研究领域发展现状及申请人的研究经验和实验基础，本项目基于晶体学方法，利用复合手段，将潜在质子化位点前置于离子液体以及有机分子骨架，将功能化离子液体引入层状化合物的质子传输通道，研究质子导电性能。通过优化相关因素，探讨不同维度通道存在的结构性约束规律，以及各种因素对质子传导通道的影响。探讨不同类型通道的尺寸和形状，以及物理特性，尤其聚合物通道表面的特性，如对质子载体的浓度酸度性质的影响等。从分子水平研究功能基团差别与传导性能的关联性。初步探索其质子传导理论，研究其在其他电化学器件方面的潜在应用。

新型固体质子传导材料的开发是目前质子交换膜燃料电池中亟需解决的关键问题之一。以有机无机杂化材料为基础，我们在对前驱体进行设计合成的前提下，将其引入金属有机体系，开展了如下的研究内容:（i）基于晶体学方法，进行质子导电体系的构建，包括离子液体中阴离子框架通道体系; 均一一维亲水通道（包括多功能）体系；两类一维亲水通道及二维亲水层体系; 由孪晶异构体形成的共晶化合物体系; 无溶剂二维MOFs材料；杂多阴离子多配位点体系等。研究不同维度通道存在的结构性约束规律，如酯基、羧基等载流子的存在，以及联吡啶、联喹啉环的大小，烷基、羧基的亲疏水等，对化合物结构和质子导电能力的影响，并探索质子传导机理。（ii）将质子导电化合物与氧化石墨烯掺杂，研究复合材料对质子导电性能的影响。（iii）在轮烷索烃体系中，构筑新型金属有机框架，研究结构构筑规律。我们首次发展了将有机分子如2,2'-联吡啶-4,4'-二甲醇/二磷酸等，引入到MOF/POM-MOF体系来合成固体质子导电化合物的新方法。这些方法步骤简单，产率高，耗时短，适合大规模生产。在温度100摄氏度, 相对湿度98%的条件下，材料良好的质子导电率（超过10-3 S cm-1）达到了目前所知此类晶体材料最好的数值范围。数值为10-4 S cm-1的化合物与氧化石墨烯复合后，在相同条件下，复合材料的质子导电率达到10-2 S cm-1, 此数值与商业的Nafion膜相当。这些材料具有好的热稳定性能和耐酸性。对于这些新型导电材料的研究，拓宽了固体质子导电材料的选择范围。