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高质子导电性MOF复合膜在质子交换膜中的应用研究进展
《X-MOL资讯》微信公众号 / 时间:2018-08-30 08:35:26

  据X-MOL资讯微信公众平台2018年8月30日讯 质子导电材料是以质子或质子载体为载流子的一类电解质。质子半径小、质量轻,具有很高的可移动性。一些质子导体具有较高的离子电导率,是一类具有高电导率的离子导电材料。在电化学领域,质子导电材料具有广泛的应用。在氢氧燃料电池中,质子交换膜是其核心部件。氢气在阳极氧化为氢离子,氢离子通过质子交换膜抵达阴极,并与氧气发生反应生成水。质子交换膜不仅作为电解质为质子迁移提供通道,还可阻隔气体渗透,极大影响了电池的工作性能。理想的质子交换膜材料应具备高质子电导率、高化学稳定性、良好的机械性能以及制备简单、价格低廉等特点。探索高电导率、高热稳定性以及优异化学稳定性的质子导电材料成为电化学工作者研究的热点之一。近年来,一些新型的质子导电材料主要包括金属有机框架(MOFs)、多孔配位聚合物(CPs)和共价有机框架(COFs),在一定温度范围内表现出相对较高的电导率。但是,大部分材料的热稳定性、水稳定性以及化学稳定性较差。此外,材料通常都是粉末或单晶状态,不能直接用于电化学器件中,限制了其实际应用。
  近年来,南京工业大学的任小明教授课题组致力于探索高热和化学稳定性以及高电导率的三维开骨架质子导电材料,并取得了一系列研究成果,通过对三维开骨架金属硫簇化合物进行无机酸掺杂,获得了热和化学稳定性好以及质子电导率高的新型质子导电材料(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 2619; Adv. Mater., 2016, 28, 1663);性能优异的开骨架磷酸盐质子导电材料(Dalton Trans., 2017, 46, 7904; Inorg. Chem., 2016, 55, 8971; Dalton Trans., 2016, 45, 19466)以及具有优异水稳定性和高电导率的MOFs质子导电材料(Inorg. Chem., 2017, 56, 4169)。
  近日,任小明教授课题组与北京航空航天大学的卢善富教授课题组合作,选择对水和酸具有超高稳定性以及质子电导率高的锆基MOF-801(室温及99% RH时,电导率达到1.88×10-3 S·cm-1)与高分子聚合物PVDF-PVP混合,制备了复合质子交换膜,该复合膜表现出优异的质子传导性能以及机械性能。该器件将MOF-PVDF-PVP复合膜作为质子交换膜组装到H2/O2燃料电池中,表现出优异的稳定性。


高质子导电性MOF复合膜在质子交换膜中的应用研究进展

图1.MOF-801的结构图


  他们将MOF-801亚微米颗粒分散到混合高分子聚合物PVDF-PVP的基质中,其中PVDF具有优异的化学和热稳定性以及较好的机械强度,但是具有一定的疏水性。而PVP具有很好亲水性质,其结构中的N原子还可以接受质子,作为质子跳跃位点促进质子迁移,提高复合膜的质子电导率。在325 K时,复合膜的电导率高达1.84×10-3 S·cm-1。他们以复合膜作为质子交换膜,在组装的H2/O2燃料电池中,303 K及98% RH的条件下,开路电压达到0.95V;在电流密度为4.53mA·cm-2时,电池的最大功率密度达到2.2 mW·cm-2。电池连续工作26小时后,开路电压保持不变,表现出很好的循环稳定性,由此表明该复合膜具有很好的应用前景。这一研究将进一步推动MOFs类质子导电材料在电化学器件中的实际应用。


高质子导电性MOF复合膜在质子交换膜中的应用研究进展

图2.MOF-801粉末的XRD表征

高质子导电性MOF复合膜在质子交换膜中的应用研究进展

图3.MOF-801的质子电导率以及水蒸气吸附/脱附曲线

高质子导电性MOF复合膜在质子交换膜中的应用研究进展

图4.复合膜MOF-801@PP-40MOF-801@PP-60的SEM成像

高质子导电性MOF复合膜在质子交换膜中的应用研究进展

图5. H2/O2燃料电池开路电压的稳定性和极化与功率密度曲线(303 K, 100% RH)


  该研究成果近期发表在ACS Appl. Mater. Interfaces 上,文章的第一作者是南京工业大学的硕士研究生张劲和北京航空航天大学的博士研究生白慧娟。
  该论文作者为:Jin Zhang, Hui-Juan Bai, Qiu Ren, Hong-Bin Luo, Xiao-Ming Ren, Zheng-Fang Tian and Shanfu Lu。(Extra Water- and Acid-Stable MOF-801 with High Proton Conductivity and Its Composite Membrane for Proton-Exchange Membrane; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, DOI: 10.1021/acsami.8b09070)