[發(fā)明專利]一種二維共價有機框架材料及其制備和應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2020-03-13
• 公開（公告）號: CN111269432B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙禮義;曹宇;許名飛
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林中科研伸科技有限公司
• 主分類號: C08G83/00
• 分類號: C08G83/00;H01M8/1016
• 代理公司: 北京遠(yuǎn)大卓悅知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11369
• 代理人: 許小東

本發(fā)明一種新型二維共價有機框架材料及其制備和應(yīng)用，屬于新能源領(lǐng)域，特別是涉及到一種有機框架材料及其制備和應(yīng)用；所述二維共價有機框架材料是由含有溴原子的苯類化合物1,3,5?三(4?溴苯基)苯經(jīng)過Sonogashira偶聯(lián)反應(yīng)和脫保護(hù)，最后與叔丁氧羰基保護(hù)基經(jīng)席夫堿反應(yīng)組裝而成。本發(fā)明共價有機框架材料原料低廉，合成工藝簡單，方便提純；該共價有機框架材料作為質(zhì)子交換膜使用時，電池在正常運行狀態(tài)能夠保持優(yōu)異的電壓工作穩(wěn)定性；當(dāng)電流密度為188mA/cm^?2時，燃料電池的功率密度為最大，達(dá)到72mw/cm^?2，在室溫條件下具有較高的功率密度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新能源領(lǐng)域，尤其涉及一種新型的共價有機框架材料的合成路線及其在燃料電池中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

能源是人類社會不斷發(fā)展的基礎(chǔ)和保障，隨著社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，人類對能源的需要也日益增加。傳統(tǒng)化石能源的快速消耗也帶來了兩個更加棘手的問題，首先是環(huán)境問題，比如空氣和水的污染、極端天氣和自然災(zāi)害不斷發(fā)生，都導(dǎo)致了人類生存環(huán)境的不斷惡化；同時，傳統(tǒng)化石能源是最重要的能源消耗品，其不可再生性將使人類很快面臨嚴(yán)重的能源枯竭問題。為了盡快避免這些情況的發(fā)生，世界各國都在積極的尋找新的能源替代品，也就是清潔綠色能源，比如太陽能、風(fēng)能等可再生資源來替代傳統(tǒng)化石能源，為人類社會開辟一條可持續(xù)發(fā)展的道路。伴隨著科學(xué)家們的不斷努力，近年來，越來越多的新能源技術(shù)開始進(jìn)入人們的生活，其中最顯著的變化莫過于世界各國對于新能源汽車的規(guī)定，包括我國在內(nèi)，多個國家已經(jīng)制定了燃油汽車的退役時間，隨著這一禁令的頒布，新能源燃料電池的研究也受到了極為廣泛的關(guān)注。

燃料電池是一種清潔的能量轉(zhuǎn)化裝置，它按照電化學(xué)原理，把貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，屬于氧化還原反應(yīng)，這一過程發(fā)生在電池的電極上，具有非常高的能量轉(zhuǎn)換效率。燃料電池主要由五個部分組成，包括質(zhì)子交換膜，陰極催化層，陽極催化層，陰極氣體擴(kuò)散層和陽極氣體擴(kuò)散層。其中最為重要的材料為質(zhì)子交換膜材料，目前全氟磺酸聚合物是應(yīng)用的最多的一類質(zhì)子交換膜材料，但是由于高昂的成本嚴(yán)重限制了其大規(guī)模的應(yīng)用，因此發(fā)展新型的質(zhì)子膜材料對于燃料電池的發(fā)展具有舉足輕重的作用。

共價有機框架材料(covalent organic framework，COFs)是一類新型的多孔有機材料，具有明確的結(jié)構(gòu)、高比表面積、結(jié)構(gòu)可調(diào)控性強以及成本低廉等多種優(yōu)勢，自從2005年面世以來，已經(jīng)被科學(xué)家們驗證能夠廣泛的應(yīng)用在氣體分離、質(zhì)子傳輸、催化以及光電材料等多種領(lǐng)域。同時，由于共價有機框架材料能夠具有非常優(yōu)異的質(zhì)子電導(dǎo)率，因此也被認(rèn)為是作為質(zhì)子交換膜的最具潛力的材料。目前，已報道的共價有機框架材料可以達(dá)到1.13× 10^-1s/cm的質(zhì)子電導(dǎo)率和81毫瓦每平方厘米的最高功率輸出。相比于目前使用的全氟交換膜(100毫瓦每平方厘米)，共價有機框架材料質(zhì)子交換膜的輸出功率仍有待提高，但其僅為前者十分之一的材料成本，使得共價有機框架材料質(zhì)子交換膜具備了極佳的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提供一種新型二維共價有機框架材料及其制備和應(yīng)用，以解決共價有機框架材料質(zhì)子交換膜的輸出功率較低的技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種新型二維共價有機框架材料及其制備和應(yīng)用的具體技術(shù)方案如下：

一種新型二維共價有機框架材料，具有如下結(jié)構(gòu)單元：

一種二維共價有機框架材料的制備方法，具體包括以下步驟，且以下步驟順次進(jìn)行：

步驟一、將1,3,5-三(4-溴苯基)苯、三苯基膦，碘化亞銅，雙三苯基磷二氯化鈀，二異丙胺，1，4-二氧六環(huán)，三甲基硅基乙炔進(jìn)行混合；反應(yīng)結(jié)束后，得到中間體2；

步驟二、首先將氫氧化鈉和甲醇，攪拌溶解并降至室溫，加入所述中間體2和二氯甲烷；反應(yīng)結(jié)束后旋干，得到粗產(chǎn)物為黃色固體；提純烘干，得到中間體3；