[发明专利]一种具有质子导电性能的二维MOFs材料及其制备方法

说明书

本发明涉及质子导电材料领域，公开了一种具有优良质子导电性能的MOFs材料及其制备方法。该方法以H₄L为联接配体，Cu²⁺，Cl^‑为连接点，通过加热制备二维层目标材料。本发明材料具有良好质子导电率，制备方法简单易操作，产率高，热力学和化学性能稳定，易于大面积推广应用。

技术领域

本发明属于质子导电材料技术领域，涉及一种具有质子导电性能的二维MOFs材料及其制备方法。

背景技术

目前，在探索解决能源挑战和环境问题时，会涉及众多的先进能量贮存和转化装置，其中，质子传递膜燃料电池被认为是非常具有前景的选择，这主要是因为他们优良的特性，比如能量密度高，污染排放物低以及工作条件温和(参考文献：Barbir F.PEM FuelCells:Theory and Practice.(Elsevier Academic Press,New York,2005).)。虽然人们已经在质子传递膜燃料电池领域进行了深入地研究，然而对于具有高质子导电率和稳定性的电极材料的设计合成依然是个挑战。另外，常用的Nafion膜在聚合物中结晶度的缺乏使得在原子水平去深入了解明确的质子传输途径成为困难。在过去的几十年里，金属有机化合物(MOFs)在引起广泛关注的同时，已经得到了快速的发展，这主要是由于他们具有可设计以及可调节的结构与性质，而且在吸附、分离、传感和能量相关的应用上具有潜在应用(参考文献:Denny M.S.Jr,Moreton J.C.,Benz L.Cohen S.M.Nat.Rev.Mater.2016,1,16078；Schoedel A.,Ji Z.Yaghi O.M.Nat.Energy,2016,1,16034；Kreno L.E.,LeongK.,Farha O.K.,Allendorf M.,Van Duyne R.P.and Hupp J.T.Chem.Rev.2012,112,1105.)。目前研究表明质子传导的金属有机材料可被潜在地应用在质子传递膜燃料电池上(参考文献：Ramaswamy P.,Wong N.E.Shimizu G.K.H.Chem.Soc.Rev.,2014,43,5913；Horike S.,Umeyama D.Kitagawa S.Acc.Chem.Res.,2013,46,2376.)。另一方面，为了设计更好的质子导电材料，金属有机材料在很多方面表现出其优势，如其晶体本质可允许质子传输通道模型的直观可视化；规则的结构易于引入酸性基团，从而形成有效的质子传输通道，提高质子导电率(参考文献：Taylor J.M.,Mah R.K.,Moudrakovski I.L.,RatcliffeC.I.,Vaidhyanathan R.,Shimizu G.K.H.J.Am.Chem.Soc.2010,132,14055；Bao S.-S.,Shimizu G.K.H.,Zheng L.-M.,Coord.Chem.Rev.,2019,1,577-594.)。因此，探索研究将含联吡啶的双磷酸基团引入金属有机材料中，以期获得性能更优良的二维质子导电MOFs材料，有利于燃料电池的开发，目前未见相关报道。

发明内容

本发明目的在于提供热稳定性和化学稳定性好且质子导电性能良好的二维质子导电MOFs材料；另一目的在于提供其制备方法。

为实现本发明目的，本发明以2,2'-联吡啶-4,4'-二磷酸为基础构筑金属有机化合物，并对其质子导电性能进行测试。所述的二维质子导电MOFs材料以2,2'-联吡啶-4,4'-二磷酸为配体(H₄L)，Cu²⁺，Cl^-作为连接点，构筑的二维层结构。Cu²⁺，Cl^-在c方向上形成一维链，然后b方向上通过H₃L^-配体连接上下两条链的铜原子，而形成二维层。晶胞参数：属单斜晶系，C2/c空间群,β＝100.391°,F(000)＝1656.0,Z＝8。分子式为:C₁₀H₉ClCuN₂O₆P₂，分子结构示意图见图1。