由金属有机框架和聚合物电解质制备复合质子传导膜及其结构和性能研究

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are a new type of portable power, which is a hot research in energy area currently. Proton-conducting materials are an important component of fuel cells. In the past few years, metal-organic frameworks (MOFs) as proton conductors have been paid attention and a number of proton-conducting MOFs were prepared and investigated. However, MOFs prepared by traditional methods are difficult to utilize directly in fuel cells. Proton-conducting membrane based on MOFs is a promising method to extend their applications in PEMFCs, which are just started over the past two years. In this project, we intend to employ hybrid strategy, integrate proton-conducting MOFs and polymer electrolyte membrane by blending or in situ graft method, and prepare MOFs-polymer composite proton-conducting membrane combining the merits of both MOFs and polymer electrolyte membrane. Proton conduction of these composite membranes will be measured and analyzed systematically. We will exhaustively investigate how the structure, shape, size and loading extent of MOFs affect interface compatibility, proton conductivity and proton-conducting mechanism in these composite membranes, propose the preparation method and disclose its law in MOFs-polymer composite membrane. These results will provide the experimental and theoretical reference for the design, preparation, processing and fabrication of MOFs-based proton-conducting membrane.

作为一种新型可移动电源，质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是目前能源领域研究和开发的热点。质子导体材料是PEMFCs的关键组分。近些年，许多质子传导性能优良的金属有机骨架（MOFs）被制备、研究。但传统制备方法得到的MOFs很难在燃料电池中直接应用。MOFs基质子传导膜是拓展MOFs质子导体材料在PEMFCs中应用的十分有前景的方法之一，关于这方面的研究这两年才刚刚起步。本项目拟利用杂化的思想，将这些质子传导性能优良的MOFs与聚合物电解质膜通过共混或原位接枝的方法复合，制备兼具MOFs和聚合物膜优点的MOFs-聚合物复合质子传导膜。系统测试分析复合膜的质子传导特性，详细研究MOFs的结构、形貌、粒径及搭载量等对复合膜的界面相容性，质子传递机理及电导率的影响，提出MOFs-聚合物质子传导膜的制备方法，揭示其规律，以期为MOFs基质子交换膜的设计、制备、加工和组装提供实验借鉴和理论参考。

质子交换膜燃料电池作为洁净、高效的发电技术，是目前能源领域研究和开发的热点。质子导体材料是质子交换膜燃料电池的关键组分。金属有机框架（MOFs）作为质子导体材料被广泛研究。然而制备稳定且高电导率的MOFs仍存在很大挑战。另外, MOFs作为粉体材料，它的可加工性阻碍其在质子交换膜燃料电池中的进一步应用。.. 根据项目研究计划，我们主要设计制备稳定、高质子电导率的MOFs，以及利用稳定的、功能化的MOFs和聚合物通过共混的方法制备复合质子传导膜，并组装成氢-氧燃料电池，进行电池性能评价。其中一例新设计制备的MOFs单晶的无水质子电导率达到1.25 × 10-3 S/cm（150℃）（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 3505）。另外一例，我们把无机酸填充到MOFs (MIL-101)材料中，然后与壳聚糖进行杂化，制成一系列复合质子传导膜，其电导率最大达到9.5×10-2S/cm。组装电池的功率密度最大可达到146 mW cm2（J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 3464）。利用胺基和磺酸基团修饰的UiO-66-NH2和UiO-66-SO3H与壳聚糖制备的复合质子传导膜， 在120℃、无水质子电导率可达到3.78×10-3 S/cm（ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 38209）。.. 在本项目支持下，取得相关的科学研究成果（标注本项目基金21501046）发表在化学和材料的国际知名期刊 J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 3505−3512；J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 7724；J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 3464；ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 38209；ACS Appl. Energy Mater. 2019，DOI, 10.1021/acsaem.8b01691；Dalton Trans., 2016, 45, 18142；J. Mol. Struct. 2017, 1143, 72。共发表SCI 科研论文7篇，其中ESI高被引论文1篇，申请发明专利3项。项目较好完成, 在各个方面都超过预期。