[發明專利]MOF材料及其制備方法、質子交換膜及其制備方法以及燃料電池

有效

• 申請號: 202110955152.7
• 申請日: 2021-08-19
• 公開（公告）號: CN113782760B
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發明（設計）人: 馬海慶;賀迪華;肖森林;馬杰
• 申請（專利權）人: 深圳氫時代新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M8/023
• 分類號: H01M8/023;H01M8/0232;H01M8/0243
• 代理公司: 深圳中細軟知識產權代理有限公司 44528
• 代理人: 田麗麗

本發明公開了一種MOF材料及其制備方法、質子交換膜及其制備方法以及燃料電池，MOF材料由金屬鈷、去甲駱駝蓬堿和甲基?(5?甲基?異惡唑?3?基)?胺配位形成。將MOF材料摻雜進聚合物基底中得到MOF和聚合物復合的質子交換膜。本發明的MOF材料不僅具有良好的質子傳導性而且能夠避免液態甲醇從陽極到陰極的交叉。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，更具體地，涉及一種MOF材料及其制備方法、質子交換膜及其制備方法以及燃料電池。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)，是一種綠色能源，受到廣泛研究。其中，直接甲醇燃料電池(DMFC)，因液態甲醇的燃料易攜帶，能克服氣態燃料(如氫氣)的存儲和能量密度限制，成為燃料電池的重要研究分支。

然而，由于DMFC中的擴散模式操作，現有質子交換膜中有較大孔隙，導致甲醇在氧化反應過程中易從陽極擴散到陰極，因為甲醇在陰極氧化，能使電催化劑處于氧還原反應中，所以，該從陽極到陰極的交叉對器件的性能產生了不利影響。

解決上述問題的一個途徑是：在聚合物基底中增加填料，以減小孔隙，目前可使用的填料包括碳納米結構、粘土、沸石和金屬氧化物等，但是，上述填料的增加會降低質子傳導性，因此，研發即能提高質子傳導性，又能避免液態甲醇從陽極到陰極的交叉的質子交換膜對于DMFC的更好性能至關重要。

金屬有機骨架(MOF)材料是一種由金屬離子和有機配體組成的高結晶性且多孔化合物，可以通過改變配體來調整MOF的孔徑以滿足需要。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術存在的上述缺陷，提供一種不僅能夠避免液態甲醇從陽極到陰極的交叉而且能提高質子傳導率的MOF材料及其制備方法、質子交換膜及其制備方法以及燃料電池。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種MOF材料，其特征在于，由金屬鈷、去甲駱駝蓬堿和甲基-(5-甲基-異惡唑-3-基)-胺配位形成。

本發明還公開了上述MOF材料的制備方法，包括以下過程：

將金屬鈷鹽、去甲駱駝蓬堿和甲基-(5-甲基-異惡唑-3-基)-胺混合于溶劑中，得混合液，其中，所述金屬鈷鹽為可溶性金屬鈷鹽；

將所述混合液置于密閉空間進行溶劑熱反應，冷卻后得所述MOF材料。

本發明還公開了一種質子交換膜，包括聚合物基底和分散于所述聚合物基底中的上述的MOF材料。

本發明還公開了一種質子交換膜的制備方法，包括以下過程：

提供聚合物基底的漿料；

提供如上所述的MOF材料或上述的制備方法制得的MOF材料；

將所述MOF材料分散于所述聚合物基底的漿料中，得所述質子交換膜的漿料，固化所述漿料，得所述質子交換膜。

本發明還公開了一種燃料電池，包括上述的質子交換膜。

實施本發明實施例，將具有如下有益效果：

本發明通過優選金屬原子和有機配體，一方面，有機配體形成的孔隙可以避免液態甲醇從陽極擴散到陰極，另一方面，除了孔隙能容納水分子或酸分子提供質子傳輸通道外，優選的有機配體去甲駱駝蓬堿和甲基-(5-甲基-異惡唑-3-基)-胺中均含有雜環結構，例如吡啶環和異噁唑環，雜環結構也能夠提供質子傳輸通道，因此，上述兩種途徑顯著的提高了MOF的質子傳導率；還有，有機配體去甲駱駝蓬堿和甲基-(5-甲基-異惡唑-3-基)-胺中均含有N原子的配位原子，能夠和金屬鈷形成強配位化合鍵，從而形成穩定的MOF晶體結構；通過將MOF材料摻雜到聚合物基底中形成質子交換膜，MOF的穩定結構使得雜環結構不易從聚合物膜中溢出，能夠提供穩定的質子傳輸性能；還有，本發明的MOF材料能夠與聚合物基底有效兼容。