多孔晶态材料在宽工作温度范围内质子导电性能的研究

The fuel cell is a new type of environment friendly energy. The proton exchange membrane fuel cell is a kind of fuel cell, and its biggest advantage is the high energy conversion efficiency. PEMFCs with Nafion as electrolytes can reach a conductivity on the order of 10-1-10-2 S cm-1 under a limited condition with moderate temperatures (60 - 80 °C) and high relative humidity (98% RH). While its conductivity will drop significantly above 80 °C or below -5 °C, which greatly limits the application of proton exchange membrane fuel cell. The project focus on study the synthesis of porous Zr-MOFs materials with good stability and loading the proton-conducting organic small molecules into the Zr-MOFs material. This material is expected to have a high proton conductivity over a wide temperature range. We can discover the proton-conducting pathways and the influential factors of transmission capability for protons in Zr-MOFs materials more easily. We believe that this project is of profound experimental and theoretical significance in field of MOFs and electrical applications.

燃料电池是一种环境友好的新型能源。质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种，其最大的优点在于电池启动快，能量转换率高。Nafion膜-全氟磺酸离子交换膜，作为质子交换膜燃料电池的电解质可以在98%的相对湿度和 60 - 80°C 温度范围内电导率达到10-1-10-2 S cm-1。而当温度高于80°C时或低于 -5 °C时，导电率明显下降，这就大大限制了质子交换膜燃料电池的应用。本项目拟研究的核心内容是合成稳定性好的多孔Zr-MOFs材料，将非水介质小分子负载入Zr-MOFs材料中得到Zr-MOFs复合材料。这种材料有望在较宽的工作温度范围内有较好的质子导电性能。通过材料确定的结构可以清晰地探究质子传输的路径，找到影响质子传输能力的结构因素，发现决定材料导电性的原因。本项目的顺利开展势必会对MOFs领域及电学应用方面产生较为重要的实验和理论意义。

在项目执行的三年期间，围绕MOF晶态材料的结构调控和质子导电性质提升开展相关研究。有机配体和金属离子的多样性为构筑各种各样的MOF晶态材料提供了巨大的可行性。MOFs晶态材料可修饰的结构和多孔特性为有序地容纳质子载流子和系统地改变质子载流子的浓度和迁移率提供了巨大的可能性。通过对金属簇节点的修饰和置换骨架中的客体分子有效地改善了晶态材料的导电性能。系统地考察了MOFs结构因素对质子导电性质的影响，探讨了影响质子导电性质的关键因素。为了进一步拓展其应用，我们尝试将MOFs材料做成质子交换膜，为新型质子交换膜的合成开辟了新思路。