[发明专利]一种取向型MOFs基阴离子交换膜、其制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种取向型MOFs基阴离子交换膜、其制备方法及应用，该MOFs膜由取向型ZIF纳米线与高分子聚合物反应得到；所述取向型ZIF纳米线中的金属离子为钴离子；所述高分子聚合物含有苄氯基团或苄溴基团。与现有技术相比，本发明利用ZIF纳米线中咪唑类有机配体的碱稳定性来提高MOFs膜的耐碱性，通过咪唑类有机配体中的咪唑基团与高分子聚合物中的苄氯基团或苄溴基团反应，使高分子的长链贯穿取向型ZIF结构，提高了成膜性，进而增加了其在碱性阴离子交换膜燃料电池的应用性；并且MOFs膜中取向型ZIF成一维线性取向排列，可以引导氢氧根离子沿一致方向传递，提高传导效率，也为电池性能测试提供先决条件。

技术领域

本发明属于离子交换膜技术领域，尤其涉及一种取向型MOFs基阴离子交换膜、其制备方法及应用。

背景技术

为解决日益出现的能源危机，作为新型清洁能源的燃料电池一直是科学家们热衷研究的课题之一。燃料电池是将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过化学反应转换为电能的装置，它是一种清洁的、更加有效的能量转化方式。而其中的碱性阴离子交换膜燃料电池更具有一枝独秀的应用潜力。但阴离子交换膜作为碱性燃料电池的核心部件，一直受到低耐碱性和低离子电导率的影响而未能实现应用。

金属-有机骨架化合物(MOFs)作为一种新型的多功能分子基框架材料，因其有机-无机杂化特性、结构上有序性和可控性、微孔性、特殊的光、电、磁性质及工业上的潜在应用而成为目前新功能材料研究领域的一个热点。自20世纪90年代末开始，MOFs作为质子传导材料为其电化学的应用开辟了全新的领域，而MOFs在阴离子传导材料方面的应用却在近两年才逐步展开。

将高耐碱性的MOFs结构引入阴离子交换膜能够有效的提高阴离子交换膜的耐碱性，但是将MOFs结构引入阴离子交换膜所面临的主要问题是较低的成膜性以及低的离子电导率。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种取向型MOFs基阴离子交换膜、其制备方法及应用，该取向型MOFs基阴离子交换膜作为阴离子交换膜具有较好的耐碱性及离子电导率。

本发明提供了一种取向型MOFs基阴离子交换膜，由取向型ZIF纳米线与高分子聚合物反应得到；所述取向型ZIF纳米线中的金属离子为钴离子；所述高分子聚合物含有苄氯基团或苄溴基团。

优选的，所述取向型ZIF纳米线中的有机配体为2-甲基咪唑。

优选的，所述高分子聚合物选自聚氯甲基苯乙烯、氯甲基聚醚砜与溴甲基化聚苯醚中的一种或多种。

优选的，所述取向型MOFs基阴离子交换膜的厚度为150～200μm。

本发明还提供了一种取向型MOFs基阴离子交换的制备方法，包括以下步骤：

S1)在金属片表面生长取向型ZIF纳米线；所述取向型ZIF纳米线中的金属离子为钴离子；

S2)将生长有取向型ZIF纳米线的金属片浸泡于高分子聚合物溶液中，反应成膜后，得到取向型MOFs基阴离子交换；所述高分子聚合物溶液中的高分子聚合物含有苄氯基团或苄溴基团。

优选的，所述步骤S1)具体为：

A)将金属片浸泡于第一反应液中，加热反应，得到生长有取向型碱式碳酸钴纳米线的金属片；所述第一反应液包括可溶性钴盐、氟化铵与尿素；

B)将所述生长有取向型碱式碳酸钴纳米线的金属片浸泡于第二反应液中，加热反应，得到生长有取向型ZIF纳米线的金属片；所述第二反应液包括咪唑类有机配体与碱性物质；所述碱性物质为包含氨基的有机碱或氨水。

优选的，所述步骤A)中加热反应的温度为70℃～120℃；加热反应时间为8～15h；

所述步骤B)中加热反应的温度为70℃～120℃；加热反应时间为8～15h。