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一种多酸-有机超分子框架材料及其制备方法和应用

成果类型:: 发明专利

发布时间: 2023-12-06 15:22:10

科技成果产业化落地方案
方案提交机构:成果发布人| 黄哲芬 | 2023-12-06 15:22:10

一种多酸-有机超分子框架材料,所述多酸-有机超分子框架材料的分子式为H3(HIm)11[Sb2W19O67(H2O)]·solvent,其中Im=imidazole;所述多酸-有机超分子框架材料具有六方孔道,多酸-有机超分子框架的结构特征为:六个[Sb2W19O67(H2O)]聚阴离子构筑块位于一个六边形的六个角上,并由30个质子化的咪唑抗衡阳离子通过多个氢键连接形成一个六边形超分子轮簇,轮簇的分子式为{[Sb2W19O67(H2O)]6(Him)30},相邻轮簇之间通过咪唑抗衡阳离子的超分子相互作用形成一维纳米管结构,纳米管之间再通过咪唑抗衡阳离子连接形成一个三维的超分子框架。

三缺位锑钨酸盐前驱体Na9[B-α-SbW9O33]·19.5H2O的合成:S11、配置温度为80℃、浓度为1.5-2.0mol/L的钨酸钠水溶液;S12、配置锑浓盐酸溶液,其中锑的原料为三氧化二锑,三氧化二锑与盐酸的摩尔比为1:18;S13、将锑浓盐酸溶液逐滴加入到钨酸钠溶液中,并在80-110℃下回流1-2小时,再将反应液浓缩至2/3体积,冷却至室温后得到白色晶体,过滤后用乙醇洗涤,自然干燥后得到白色颗粒状晶体,即得到Na9[B-α-SbW9O33]·19.5H2O;

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)由于其高功率密度和超低排放的特点,在替代传统燃料电池方面非常有前景。质子交换膜(ProtonExchange Membrane,PEM)作为PEMFC中非常重要一个组成部分,起到了质子迁移和运输的关键作用,其材料性能将直接影响燃料电池的应用性能和使用寿命(工作原理图如图1所示)。用作PEM上的质子传导材料应该满足以下基本条件:(1)具有良好的质子电导率;(2)材料稳定性高;(3)制备成本低,价格适当;(4)制备工艺简单,产率高等。尽管已经报道了各种晶态多孔质子导电材料,如MOFs材料、多孔配位聚合物(PCPs)材料和COFs材料,但它们在PEMFC中的应用受到了狭窄的工作温度(20-80℃)和高湿度依赖性的限制。例如,广泛使用的Nafion膜在80℃时表现出最高的质子传导性,而在80℃以上时传导性能会明显下降,这严重限制了它们的操作条件,并可能导致贵金属催化剂中毒。因此,开发能够在高温无水条件下高效运行的质子导电材料极其重要且充满挑战。

多金属氧酸盐(Polyoxometalates,POMs)简称多酸,通常是指由V、Nb、Ta、Mo和W等高价过渡金属的无机氧酸盐经过缩聚脱水形成多核金属簇状结构,其结构类型丰富,尺寸与电荷具有可修饰性和可调变性,具有较强的电子和质子转移/存储能力,且稳定性好。此外,POMs也可以作为灵活的构筑单元来构筑各种纳米结构,其中包括基于POM的笼状、框架、杯状、大环和复合纳米结构。相比之下,POM-有机杂化超分子框架材料的构建尚未得到大量的研究,而这类杂化超分子框架材料由于其独特的组成和结构特征,如POM与有机组分之间独特的氢键相互作用以及纳米级的质子传输孔道,使其具有优异的稳定性和质子导电性。因此,近年来,POM-有机杂化超分子框架质子传导材料的探索引起了广大科学研究者的关注,希望合成出质子传导率高,稳定性好,且制备简易,成本低的多酸质子传导材料。

发明人:李新雄 肖慧萍 郑寿添福州大学(Fuzhou University),简称福大,位于福建省福州市,创建于1958年,是国家“双一流”建设高校,国家“211工程”建设高校,国家教育部、国家国防科技工业局与福建省人民政府共建高校,福建省三所重点建设的高水平大学之一,福建省一流大学建设高校,入选国家建设高水平大学公派研究生项目、教育部首批“卓越工程师教育培养计划”高校、新工科研究与实践项目、数据中国“百校工程”项目、国家“111计划”、“高校国际化示范学院推进计划”、国家级大学生创新创业训练计划、全国首批深化创新创业教育改革示范高校、中国政府奖学金来华留学生接收院校、全国专业学位研究生教育综合改革试点单位、国家集成电路人才培养基地、首批高等学校科技成果转化和技术转移基地、高校国家知识产权信息服务中心。

1)本发明所制备的具有六方孔道的多酸-有机超分子框架材料具有一个耐水、耐热的一维氢键网络孔道,提供了有效的质子传导通道与质子传输位点,为探索高温无水状态下的质子传导性能提供了重要保障。

2)本发明所制备的具有六方孔道的多酸-有机超分子框架材料可在高温无水条件下进行质子传导,其在150℃时的无水质子电导率为5.83×10-5S cm-1。

3)本发明采用简单的水热处理工艺,通过“一锅法”合成了具有六方孔道的多酸-有机超分子框架材料,其合成工艺简单,结晶度好且产率高,该多酸-有机超分子框架材料可作为质子传导材料,应用于燃料电池领域。

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