基于混合杂原子的纳米多金属氧簇的设计合成、组装及其质子传导性能研究

Recently，Nafion film is widely used in the proton exchange membrane fuel cells,but this kind of film has several disadvantages, such as hard to synthesize,high cost and loss of activity after dehydration at high temperature.As a consequence, to prepare new materials to take the place of Nafion films will have a great influence on research and have a potentially large market.We are expecting to obtain a new type of good intrinsic proton conductors by introducing inorganic acid anions. In this project, we are planning to study the self-assembly of polyoxometalates based on mixed heteroanions and investigate their proton conductivity.Because a heteroanion cannot be only a template but also a linker, it is likely that we will synthesize two categories of compounds: mixed heteroanion-templated cage-like compounds and mixed heteroanion-linking ones.In the latter type of molecules, the heteroanions are unsaturatedly coordinated, that is,partially protonated.These inorganic nanomolecules are expected to have good proton conductivity and thermal stability so that they can be potentially used in the fuel cell as a new type of inorganic solid electrolytes.

目前燃料电池中广泛使用的质子传导膜-Nafion膜，具有合成过程繁琐、成本高、不耐高温，温度升高易失水而失活等缺点，因此，设计合成新型质子导体材料以取代Nafion膜具有重要研究意义和广阔市场应用前景。将具有良好质子传导功能的酸根阴离子作为杂原子引入到多金属氧簇中，有望形成新一类具有良好质子传导功能的化合物。本项目拟将混合杂原子同时引入到体系中，研究其自组装过程及不同反应条件下得到的产物，然后研究其质子传导功能。由于杂原子在自组装过程中既可以作为模板也能作为不饱和配位的连接配体，因此既可能得到含有混合杂原子为模板的笼状化合物，也可能得到杂原子为配体的化合物。通过探索合成条件以得到系列混合杂原子作为不饱和配位配体（酸根离子部分质子化）的纳米多金属氧簇，以期望获得质子传导率高，热稳定性好的纯无机材料，用作燃料电池的新型固态电解质。

质子交换膜燃料电池以其高效、环保的特性被认为是很有前景的能量转换设备，并被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车和智能电网。质子交换膜燃料电池中的关键部件是质子传导隔膜和阴极催化剂；其中质子传导隔膜是决定燃料电池寿命的重要因素之一。对质子传导的路径和机理研究有助于设计合成出高效、耐用且在不苛刻条件下使用的质子传导膜材料。项目负责人将具有质子传导能力的官能团引入到簇合物，设计合成了具有本征质子传导行为的紧密堆积晶态材料。目前报道的大多数质子导电配位化合物是多孔的框架，当它们用作燃料电池固态电解质时，在高湿度下会导致燃料与氧气互穿，造成爆炸的危险。我们设计和合成了含有内在质子载体的无孔配位化合物可以解决多孔固态电解质在燃料电池中应用的问题。 . 多金属氧簇作为一类纳米尺寸的聚阴离子簇，有各种各样的结构，其高的质子传导数值，使其在催化、电子器件和燃料电池领域吸引了广泛地关注。然而，多金属氧簇在水溶液中高的溶解性限制了它们在燃料电池中的应用。负载或者共价连接多酸到多孔材料中形成多酸基复合材料是一个有效克服多金属氧簇水中高溶解性缺点的方法。我们将簇合物与高比表面积二维材料复合（多金属氧簇与正电性共价有机骨架/正电性层状材料或多金属氧簇与氧化石墨烯），形成了具有良好质子传导功能的膜材料，该类多金属氧簇膜材料可以抵抗高湿度下簇合物的流失，复合材料仍保持较高的质子传导率，同时部分材料还表现出良好的阻醇性能，并成功应用到甲醇燃料电池中。. 这些质子导电材料的设计和合成，不仅丰富了质子导电材料种类，而且为功能材料的设计与合成提供实验依据，并为质子传导电解质在未来能源转换器件中的应用提供潜在可能性。