MIL-125 PVDF质子交换膜的制备及其质子传导性能

MIL-125//PVDF质子交换膜的制备及其质子传导性能

MIL-125

黄敏建b，银凤翔a,b*

（a北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室，北京，100029；b北京化工大学常州先进材料研究院，江苏，常州，213164，*E-mail:yinfx@）质子交换膜燃料电池（PEMFCs）具有操作温度低、能量密度高、能量转化效率高、几乎零排放等优点[1]，被认为是下一代最理想的清洁能源技术之一。质子交换膜作为质子交换膜燃料电池的核心部件之一，对燃料电池的性能起至关重要的作用。传统的全氟磺酸型质子交换膜（即Nafion膜系列）虽然具有优良的质子传导能力，但是其合成条件苛刻，工艺复杂[2]，使得膜的制备成本高，并且制备过程中产生有毒中间体[3]，污染环境[4]。其他类型的质子交换膜（例如PVDF膜）尽管成本低，但是这些膜质子传导性能还有待于进一步提高。这些因素大大限制了质子交换膜燃料电池的大规模应用。

金属有机骨架化合物（MOFs），是一类新型多孔材料，具有比表面积大、结构可调等优点[5,6]，已经在气体吸附[7,8]、分离[9]、催化[10,11]、传感器[12]和药物输送[13]等领域表现出巨大的应用潜力。另外，在制备MOFs时通过选择不同的金属配位中心和有机配体，不仅可以获得大量不同类型的质子源[14]，而且还可以构建有效的氢键传递网络结构，大幅度提高质子传导性能。有机聚合物（例如：全氟磺酸离子聚合物（PFSI）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚苯并咪唑（PBI）等）具有良好的成膜性能和热稳定性，在质子交换膜领域得到广泛研究。本工作将制备MOFs/有机聚合物复合型质子交换膜，发挥MOFs和有机聚合物各自的优势，获得高性能的质子交换膜。

以钛酸四丁酯为前驱体，对苯二甲酸为有机配体，将两者溶于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和甲醇的混合溶剂中，然后转移至聚四氟乙烯内衬的高压釜中，晶化后得到的产物分别经洗涤、过滤、真空干燥制得了MOFs材料——MIL-125，然后将PVDF和MIL-125混合制备出MIL-125/PVDF复合质子交换膜。质子交换膜的质子传导率的测试采用交流阻抗法，考察了不同复合膜组成比例对质子传导率的影响。初步结果表明，与纯PVDF膜相比，MIL-125/PVDF膜的传导率提高了一个数量级，其中10wt%MIL-125/PVDF的质子传导率达到4.66×10-2s/cm，与Nafion117膜的质子传导能力相当，且MIL-125/PVDF复合膜具有很好的机械性能。

本研究为国家自然科学基金（21276018）、江苏省自然科学基金（BK2012596）、北京市优秀人才培养项目(2012D009016000003)资助项目。

参考文献：

[1]Peighambardoust SJ，Rowshanzamir S，Amjadi M．Int J Hydrogen Energy，2010，35：9349-9384

[2]HeitnerWirguin C．Journal of Membrane Science，1996，120：1-33

[3]Seo JA，Kim JC，Koh JK，Ahn SH，Kim JH．Ionics，2009，15：555-560

[4]Iojoiu C，Chabert F，Marechal M，Kissi NE，Guindet J，Sanchez JY．Journal of Power Sources，2006，153：198-209

[5]W．Xuan，C．Zhu，Y．Liu，et al．Chem．Soc．Rev．，2012，41：1677-1695

[6]H．Furukawa，N．Ko，Y．B．Goet al．Science，2010，329：424-428

[7]Murray L．J．，DincăM．，Long J．R．．Chem．Soc．Rev．，2009，38：1294

[8]Zhou H．C．，Zhao D．，Timmons D．J．，Yuan D．Q．．Acc．Chem．Res．，2011，44：123

[9]Lee C．Y．，Bae Y．S．，Jeong N．C．，Farha O．K．，Sarjeant A．A．，Stern C．L．，Nickias P．，Snurr R．Q．，Hupp J．T．，

Nguyen S．T．．J．Am．Chem．Soc．，2011，133：5228

[10]Ma L．Q．，Abney C．，Lin W．B．．Chem．Soc．Rev．，2009，38：1248

[11]Lee J．，Farha O．K．，Roberts J．，Scheidt K．A．，Nguyen S．T．，Hupp J．T．．Chem．Soc．Rev．，2009，38：1450

[12]Lu G．，Hupp J．T．．J．Am．Chem．Soc．，2010，132，7832

[13]Della Rocca J．，Liu D．，Lin W．．Acc．Chem．Res．，2011，44：957−968

[14]Teppei Y．，Masaaki S．，Hiroshi K．．J．Am．Chem．Soc．，2009，131：3144-3145

Preparation and proton conductivity of MIL-125/PVDF composites as proton exchange

membranes

Minjian Huang b,Fengxiang Yin a,b*

（a State Key Laboratory of Organic-Inorganic Composites,Beijing University of Chemical Technology, Beijing,100029;b Changzhou Institute of Advanced Materials,Beijing University of Chemical Technology, Changzhou,213164,Jiangsu,*E-mail:yinfx@）