以咪唑基二维共价有机框架构筑自支撑电解质膜

Electrolyte membrane is the key component of energy devices such as fuel cells. Accelerating membrane's ion conduction is the powerful approach to improve cell's energy conversion efficiency. Due to their crystalline instinct, two dimensional covalent organic frameworks could provide membrane an ordered nanochannel and homogeneous pore size distribution. Based on this, this project plan to synthesize series of two dimension COFs bearing benzimidazole edge units and then to make these COFs ionized. Finally, a novel and advanced electrolyte membrane enable to fast transfer ions would be developed. This research content would provide a new way to improve energy devices' energy conversion efficiency and also would detect further development for synthesized membrane.

电解质膜是燃料电池等能源器件中的核心组份，加速膜内的离子传导是提高电池能源转化效率的有效策略。二维共价有机框架（COFs）以其独特的晶态性质，一方面能够提供排列有序且孔径均匀的离子传输通道，另一方面可以通过改变单体的结构来调控膜的功能。本项目拟合成一系列基于苯并咪唑单元的二维COFs，通过孔壁离子化及孔道增强效应，发展一类可快速传导离子的先进电解质膜，为燃料电池、太阳能电池等能源器件的效率优化提供新的途径，也为合成膜提供进一步发展的空间。

固态电解质材料是燃料电池、锂离子电池等能源器件中的核心组份，促进电解质的离子传导能够有效提高电池能源转化效率。二维共价有机框架（COFs）以其独特的晶态性质，一方面能够提供排列有序且孔径均匀的离子传输通道，另一方面其有机组分的天然特点赋予它们超高的结构可设计性以及丰富的功能性。本项目在基金的资助下，成功制备出了一系列含有苯并咪唑单元的二维COFs以及含碱金属阳离子结构的二维COFs；在共价有机框架的结构优势诱导下，所获得的的类聚苯并咪唑COFs在高温下质子传导率最高可达0.16 S cm-1，课题研究成果将经典工程塑料聚苯并咪唑体系由传统的无规链装结构拓展至超高有序组装体系领域，为高温燃料电池的发展提供了先进且新颖的设计思路。在阴离子交换膜领域，借助于聚苯并咪唑较较高的碱稳定性特点，通过对苯并咪唑单元的结构修饰，在咪唑环的不同位置引入位阻不同、共轭效应不同的取代基团，获得了具有超高碱稳定性的氢氧根离子传导COFs，并将其制备成为混合基质膜材料，所得膜材料离子传导率最高可达0.1 S cm-1以上，拓展了阴离子传导型咪唑类聚合物在共价有机框架领域的研究体系。在固态锂离子电解质领域，发展了一种前合成策略，利用对称二氨基苯磺酸碱金属盐与三醛三酚反应，成功获得了具有高离子传导率的单碱离子导体COFs。此外，由于COFs本身具有极为规整的纳米微腔结构，本项目利用纳米效应对客体分子的相变影响机制，将固态电解质负载至共价有机框架孔道当中，研究了复合材料的相变行为与离子传导性能之间的关系，利用纳米空间内固态电解质的有趣相变性质获得了较低温度下高达0.001 S cm-1以上的超高离子传导率。相应SCI论文分别发表到化学类国际权威期刊上，并申报7项国家专利。综上所述，本项目基本完成了项目申请书中预定的研究目标，也为下一步将材料应用于能源器件方面的项目准备提供了有力的前期基础。