[发明专利]一种PolyMOF纳米片、制备方法、其制备的膜及应用

说明书

本发明属于纳米材料和燃料电池隔膜技术领域，尤其是涉及一种PolyMOF纳米片及其制备方法以及在燃料电池质子交换膜中的应用。所述纳米片中的有机骨架为CuTCPP金属有机骨架，聚合物链为聚丙烯酸、聚谷氨酸中的一种。所述纳米片中丰富的羧酸基团赋予了PolyMOF基层状质子交换膜超强的质子传导能力，同时具有极佳吸湿能力的聚合物链沿垂直方向构建了连续的质子传递通道，因此PolyMOF基层状质子交换膜在广泛的湿度范围都表现出高的质子传导能力。

技术领域

本发明属于纳米材料和燃料电池隔膜技术领域，尤其是涉及一种PolyMOF纳米片及其制备方法以及在燃料电池质子交换膜中的应用。

背景技术

随着全球范围内的能源消费需求不断增长，石油、煤炭及天然气等传统化石燃料作为不可再生资源，潜在着能源短缺的危机。燃料电池被认为是21世纪首选的高效、清洁发电技术。质子交换膜作为燃料电池关键材料，被誉为燃料电池的“心脏”。目前商业化的质子交换膜以美国Chemours公司生产的Nafion系列全氟磺酸膜为代表，在高湿度下具有优异的质子传导率(～0.1S cm^-1)。但其在高温低湿条件下失水会导致传递通道收缩甚至坍塌，使得传导性能呈现数量级下降。因此，开发在高温低湿下具有优异传导能力及机械性能稳定的质子交换膜对获得高性能燃料电池电池是至关重要的。

金属有机骨架具有较高的结晶度和有序的孔结构，可作为稳定、规则的质子交换通道，被认为是一种有前景的质子交换膜材料。然而，由于缺乏足够的质子载流子，大多数MOF的本征电导率普遍较低，且其在燃料电池运行过程的潮湿环境下的结构不稳定性也限制其进一步的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚合物辅助自抑制合成PolyMOF纳米片，该PolyMOF纳米片所制备的层状膜相较于传统MOF表现优异的传导性能和水稳定性，相比于商业Nafion膜在高温低湿下表现出更强的质子传导能力。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种PolyMOF纳米片，所述纳米片中的有机骨架为CuTCPP金属有机骨架，聚合物链为富含羧酸基团的低聚物，优选为聚丙烯酸、聚谷氨酸中的一种。

所述纳米片呈二维片状结构，厚度4-5nm，横向尺寸3-5μm。本发明还进一步提供了一种PolyMOF纳米片的制备方法，步骤如下：

S1：将硝酸铜三水合物、富含羧酸基团的低聚物和吡嗪溶于N,N-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液中，搅拌20-40min，使得硝酸铜和富含羧酸基团的低聚物预组装，硝酸铜在富含羧酸基团的低聚物侧链上成核；

S2：将四(4-羧基苯基)卟啉溶于N,N-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液中，将该溶液缓慢滴加到步骤S1的溶液中；

S3：将步骤S2的溶液进行水热反应得到PolyMOF纳米片。

进一步，硝酸铜三水合物：富含羧酸基团的低聚物中羧酸基团：吡嗪：四(4-羧基苯基)卟啉的物质的量比为7.5：1：5：2.5；步骤S1以及S2的溶液中，N,N-二甲基甲酰胺与乙醇的摩尔比为3：1；步骤S1中，混合溶液中硝酸铜三水合物的浓度为1-1.6mmol/L。

水热反应的温度为80℃，反应时间为3-5h。

本发明还可以利用所述的纳米片制备燃料电池质子交换膜，即先将所述的PolyMOF纳米片制成分散液，然后成膜。

所述分散液的浓度可选择0.1-5g/L，优选0.1g/L。

所述燃料电池质子交换膜在燃料电池中有很好的应用。