基于含Brönsted酸碱对的四氮唑类金属–有机框架材料的设计合成及其质子传导性能研究

In response to environment pollution and limited natural resources, fuel cells as new alternative energy conversion mode have potential application in the areas of transportation, stationary and distributed power generation, and portable power sources. However, traditional proton conducting materials, such as inorganic acid and organic molecule, limits the development of fuel cell significantly owing to their low temperature conductivity, high humidity dependence, ambiguously structure-property relationship. The crystal structure of Metal-Organic Frameworks (MOFs) can be modified flexibly. Therefore, this project propose to solve the above problems through fabricating tetrazoled MOFs by the strategy of embedding Brönsted acid (such as dimethylammonium cations (Me2NH2+) and ionic liquids (ILs) into MOFs. The single and powder proton conduction will be carried out in tetrazoled MOFs between 25-300 oC. The relationship between structure and properties of material, which is very significant for the controlled synthesis of tetrazoled MOFs proton conducting material, is going to be revealed by the detailed study on crystal structure, measurements, and theoretical calculation. After conducting this project, 6-8 important papers and 2-3 patents on tetrazoled MOFs proton conducting material are planning to be published.

面对环境污染和化石能源匮乏，燃料电池作为新型能源转换装置，在交通运输、固定与分散电站、移动电源等领域具有广泛的应用前景。然而，目前作为燃料电池核心材料的无机酸或有机质子传导材料存在室温传导率低、湿度依赖性强、构效关系难获得等缺点，是制约燃料电池技术发展的关键瓶颈。本项目拟制备四氮唑类金属−有机框架（MOFs）材料，将二甲胺阳离子、离子液体等Brönsted酸植入MOFs中，借助MOFs材料结构易于修饰等特点，克服传统质子传导材料的内在缺陷，并开展室温到中温区（25-300 oC）四氮唑类MOFs单晶及粉末质子传导性能的研究。利用晶体学、性能测试、理论计算等综合手段系统研究材料的组成、结构对质子传导性能的影响，总结材料的构效规律，为可控合成具有实用价值的四氮唑类MOFs质子传导材料提供理论指导。预期在国际重要学术刊物上发表高水平研究论文6-8篇，申请（授权）国家发明专利2-3件。

面对环境污染和化石能源匮乏，燃料电池作为新型能源转换装置，在交通运输、固定与分散电站、移动电源等领域具有广泛的应用前景。然而，目前作为燃料电池核心材料的无机酸或有机质子传导材料存在室温传导率低、湿度依赖性强、构效关系难获得等缺点，是制约燃料电池技术发展的关键瓶颈。本项目立足于创制新型四氮唑MOFs材料和质子传导性能研究。通过四氮唑类金属−有机框架（MOFs）材料的设计合成，引入质子载体（如HO3+、Me2NH2+等Brönsted酸），研究其构筑的有效策略，研制高性能质子传导MOFs材料。目前，已通过有机配体筛选，结合有机合成策略，完成了数十种配体的合成制备，并进行质子传导MOFs的设计合成。利用晶体学、性能测试、理论计算等综合手段系统研究材料的组成、结构对质子传导性能的影响，总结材料的构效规律，为创制新型四氮唑类MOFs质子传导材料提供了成熟的合成策略和理论指导。期间，成功构筑了首例基于单一功能配体构筑的甲基-四氮唑基MOFs材料，在70 oC、100%湿度时，质子传导率达到最大值1.33 x 10–2 S cm–1，实现了高质子传导性能和高稳定性。构筑了一例三维金属笼MOF材料，实现了室温下高质子传输性能（室温25 oC，湿度100%时，质子传导率2.06 x 10–3 S cm–1）。本项目经过三年的执行期，发表了13篇高水平SCI论文，其中包括JACS、CM、CEJ等具有国际影响力期刊，3篇中文期刊，申请3件发明专利，授权2件。