[发明专利]一种UiO-66复合材料及其合成方法与作为质子导体的应用

说明书

本发明涉及一种UiO‑66复合材料及其合成方法与作为质子导体的应用，所述UiO‑66复合材料的制备方法如下：S1、将四氯化锆、2‑氨基对苯二甲酸、2‑磺酸对苯二甲酸单钠盐加入N,N‑二甲基甲酰胺中，再加入浓盐酸，通过配位反应得到UiO‑66衍生物前驱体；S2、将S1所得UiO‑66衍生物前驱体加入到稀硫酸溶液中，在室温下充分搅拌反应，滤出产物并真空干燥得到UiO‑66复合材料。本发明提供的UiO‑66复合材料在宽工作温度范围内具有超高的质子传导率，而且在高相对湿度下保持了非常高的传导值，因而可以作为潜在的质子导体广泛应用于电化学器件、传感器以及燃料电池等。

技术领域

本发明属于薄膜、膜或隔膜技术领域，具体涉及一种UiO-66复合材料 (H₂SO₄@UiO-66-SO₃^--NH₃⁺)及其合成方法与作为质子导体的应用。

背景技术

随着世界经济的快速发展，全球能源需求的不断增加和不可再生资源的巨大消耗，已经带来了严重的能源危机。在这种背景下，开发新能源已经成为人们亟待解决的问题。在《能源技术革命创新行动计划(2016-2030)年》中明确指出将燃料电池作为清洁高效能源。质子交换膜燃料电池作为燃料电池中的重要类型，具有能量转换率高、发电无污染、无噪音等优势，是一种潜在的绿色可持续的能源来源，而质子交换膜是其中最核心的部分。目前，商业上使用的质子交换膜以全氟磺酸为主，但是其价格昂贵、制作工艺复杂且不能在高温环境下使用，因而应用推广受到了极大限制。近年来，为了开发性能优异并且能够长期稳定使用的导电材料，科研人员进行了大量的探索。金属有机框架化合物(MOF)作为一种新兴的晶态材料，虽然大多数原始的MOF材料不具有质子传导性能，但它们具有易功能化修饰的框架结构、高比表面积以及可调控的孔结构，为设计优秀的固态质子导体提供了巨大的机会，而结构稳定的MOF材料对于进行功能化修饰以设计合成具有超高电导率的质子传导材料尤为重要。UiO-66型MOF具有优异的热稳定性和耐水、耐酸碱等属性，其作为质子导体已经吸引了广泛的关注，但是未经改性的 UiO-66基质子导体的电导率较低，因而有必要研究此类材料的改性方法，以提高其导电性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种 UiO-66复合材料及其合成方法与作为质子导体的应用，本发明通过在UiO-66的骨架上引入酸碱对以及在孔道中掺入硫酸分子的方式获得了具有超高电导率的复合材料H₂SO₄@UiO-66-SO₃^--NH₃⁺，且在高相对湿度环境下长期循环测试仍能保持几乎不变的质子传导率，作为质子导体应用于电化学器件、传感器以及燃料电池等领域具有极大的应用前景。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种UiO-66复合材料，所述UiO-66复合材料的制备方法如下：

S1、制备UiO-66衍生物前驱体：将四氯化锆、2-氨基对苯二甲酸、2-磺酸对苯二甲酸单钠盐加入N,N-二甲基甲酰胺中，再加入浓盐酸，通过配位反应得到 UiO-66衍生物前驱体(UiO-66-SO₃^--NH₃⁺)；

S2、将S1所得UiO-66衍生物前驱体加入到稀硫酸溶液中，在室温下充分搅拌反应，滤出产物并真空干燥得到UiO-66复合材料。

按上述方案，S1所述四氯化锆、2-氨基对苯二甲酸、2-磺酸对苯二甲酸单钠盐的质量比为1：0.05～5：0.05～5。进一步优选为1：0.1～2：0.1～2。

按上述方案，S1所述四氯化锆与N,N-二甲基甲酰胺的质量体积比为 1g/10～100mL。