[發明專利]一種取向型MOFs基陰離子交換膜、其制備方法及應用

有效

• 申請號: 201611122738.0
• 申請日: 2016-12-08
• 公開（公告）號: CN106711483B
• 公開（公告）日: 2019-06-21
• 發明（設計）人: 徐銅文;伍斌;余東波
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H01M8/1051
• 分類號: H01M8/1051;H01M8/1069;H01M8/1072;B01D67/00;B01D71/06
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 趙青朵

本發明提供了一種取向型MOFs基陰離子交換膜、其制備方法及應用，該MOFs膜由取向型ZIF納米線與高分子聚合物反應得到；所述取向型ZIF納米線中的金屬離子為鈷離子；所述高分子聚合物含有芐氯基團或芐溴基團。與現有技術相比，本發明利用ZIF納米線中咪唑類有機配體的堿穩定性來提高MOFs膜的耐堿性，通過咪唑類有機配體中的咪唑基團與高分子聚合物中的芐氯基團或芐溴基團反應，使高分子的長鏈貫穿取向型ZIF結構，提高了成膜性，進而增加了其在堿性陰離子交換膜燃料電池的應用性；并且MOFs膜中取向型ZIF成一維線性取向排列，可以引導氫氧根離子沿一致方向傳遞，提高傳導效率，也為電池性能測試提供先決條件。

技術領域

本發明屬于離子交換膜技術領域，尤其涉及一種取向型MOFs基陰離子交換膜、其制備方法及應用。

背景技術

為解決日益出現的能源危機，作為新型清潔能源的燃料電池一直是科學家們熱衷研究的課題之一。燃料電池是將儲存在燃料和氧化劑中的化學能通過化學反應轉換為電能的裝置，它是一種清潔的、更加有效的能量轉化方式。而其中的堿性陰離子交換膜燃料電池更具有一枝獨秀的應用潛力。但陰離子交換膜作為堿性燃料電池的核心部件，一直受到低耐堿性和低離子電導率的影響而未能實現應用。

金屬-有機骨架化合物(MOFs)作為一種新型的多功能分子基框架材料，因其有機-無機雜化特性、結構上有序性和可控性、微孔性、特殊的光、電、磁性質及工業上的潛在應用而成為目前新功能材料研究領域的一個熱點。自20世紀90年代末開始，MOFs作為質子傳導材料為其電化學的應用開辟了全新的領域，而MOFs在陰離子傳導材料方面的應用卻在近兩年才逐步展開。

將高耐堿性的MOFs結構引入陰離子交換膜能夠有效的提高陰離子交換膜的耐堿性，但是將MOFs結構引入陰離子交換膜所面臨的主要問題是較低的成膜性以及低的離子電導率。

發明內容

有鑒于此，本發明要解決的技術問題在于提供一種取向型MOFs基陰離子交換膜、其制備方法及應用，該取向型MOFs基陰離子交換膜作為陰離子交換膜具有較好的耐堿性及離子電導率。

本發明提供了一種取向型MOFs基陰離子交換膜，由取向型ZIF納米線與高分子聚合物反應得到；所述取向型ZIF納米線中的金屬離子為鈷離子；所述高分子聚合物含有芐氯基團或芐溴基團。

優選的，所述取向型ZIF納米線中的有機配體為2-甲基咪唑。

優選的，所述高分子聚合物選自聚氯甲基苯乙烯、氯甲基聚醚砜與溴甲基化聚苯醚中的一種或多種。

優選的，所述取向型MOFs基陰離子交換膜的厚度為150～200μm。

本發明還提供了一種取向型MOFs基陰離子交換的制備方法，包括以下步驟：

S1)在金屬片表面生長取向型ZIF納米線；所述取向型ZIF納米線中的金屬離子為鈷離子；

S2)將生長有取向型ZIF納米線的金屬片浸泡于高分子聚合物溶液中，反應成膜后，得到取向型MOFs基陰離子交換；所述高分子聚合物溶液中的高分子聚合物含有芐氯基團或芐溴基團。

優選的，所述步驟S1)具體為：

A)將金屬片浸泡于第一反應液中，加熱反應，得到生長有取向型堿式碳酸鈷納米線的金屬片；所述第一反應液包括可溶性鈷鹽、氟化銨與尿素；

B)將所述生長有取向型堿式碳酸鈷納米線的金屬片浸泡于第二反應液中，加熱反應，得到生長有取向型ZIF納米線的金屬片；所述第二反應液包括咪唑類有機配體與堿性物質；所述堿性物質為包含氨基的有機堿或氨水。

優選的，所述步驟A)中加熱反應的溫度為70℃～120℃；加熱反應時間為8～15h；

所述步驟B)中加熱反應的溫度為70℃～120℃；加熱反應時間為8～15h。