一种取向型MOFs基阴离子交换膜、其制备方法及应用技术

本发明专利技术提供了一种取向型MOFs基阴离子交换膜、其制备方法及应用，该MOFs膜由取向型ZIF纳米线与高分子聚合物反应得到；所述取向型ZIF纳米线中的金属离子为钴离子；所述高分子聚合物含有苄氯基团或苄溴基团。与现有技术相比，本发明专利技术利用ZIF纳米线中咪唑类有机配体的碱稳定性来提高MOFs膜的耐碱性，通过咪唑类有机配体中的咪唑基团与高分子聚合物中的苄氯基团或苄溴基团反应，使高分子的长链贯穿取向型ZIF结构，提高了成膜性，进而增加了其在碱性阴离子交换膜燃料电池的应用性；并且MOFs膜中取向型ZIF成一维线性取向排列，可以引导氢氧根离子沿一致方向传递，提高传导效率，也为电池性能测试提供先决条件。

Oriented type MOFs based anion exchange membrane, preparation method and application thereof

The invention provides a preparation method and application of a MOFs oriented based anion exchange membrane, and get the MOFs film by oriented ZIF nanowires and metal ion polymer reaction; the orientation of ZIF nanowires in the cobalt ion; the polymer containing benzyl chloride groups or benzyl bromide moieties. Compared with the prior art, the invention uses alkali stability of ZIF nanowires in the imidazole ligand to improve the alkali resistance of the MOFs film, the benzyl chloride groups or benzyl bromide reaction of imidazole groups of organic ligands in the imidazole group and the polymer, the polymer chain through long wear oriented ZIF structure, improve the film, which increases its application in alkaline anion exchange membrane fuel cell; and the orientation of MOFs film in ZIF arranged one-dimensional linear orientation, can guide the hydroxyl ion transfer along the same direction, improve the efficiency, but also provides the precondition for battery performance testing.

【技术实现步骤摘要】
一种取向型MOFs基阴离子交换膜、其制备方法及应用
本专利技术属于离子交换膜
，尤其涉及一种取向型MOFs基阴离子交换膜、其制备方法及应用。
技术介绍
为解决日益出现的能源危机，作为新型清洁能源的燃料电池一直是科学家们热衷研究的课题之一。燃料电池是将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过化学反应转换为电能的装置，它是一种清洁的、更加有效的能量转化方式。而其中的碱性阴离子交换膜燃料电池更具有一枝独秀的应用潜力。但阴离子交换膜作为碱性燃料电池的核心部件，一直受到低耐碱性和低离子电导率的影响而未能实现应用。金属-有机骨架化合物(MOFs)作为一种新型的多功能分子基框架材料，因其有机-无机杂化特性、结构上有序性和可控性、微孔性、特殊的光、电、磁性质及工业上的潜在应用而成为目前新功能材料研究领域的一个热点。自20世纪90年代末开始，MOFs作为质子传导材料为其电化学的应用开辟了全新的领域，而MOFs在阴离子传导材料方面的应用却在近两年才逐步展开。将高耐碱性的MOFs结构引入阴离子交换膜能够有效的提高阴离子交换膜的耐碱性，但是将MOFs结构引入阴离子交换膜所面临的主要问题是较低的成膜性以及低的离子电导率。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种取向型MOFs基阴离子交换膜、其制备方法及应用，该取向型MOFs基阴离子交换膜作为阴离子交换膜具有较好的耐碱性及离子电导率。本专利技术提供了一种取向型MOFs基阴离子交换膜，由取向型ZIF纳米线与高分子聚合物反应得到；所述取向型ZIF纳米线中的金属离子为钴离子；所述高分子聚合物含有苄氯基团或苄溴基团。优选的，所述取向型ZIF纳米线中的有机配体为2-甲基咪唑。优选的，所述高分子聚合物选自聚氯甲基苯乙烯、氯甲基聚醚砜与溴甲基化聚苯醚中的一种或多种。优选的，所述取向型MOFs基阴离子交换膜的厚度为150～200μm。本专利技术还提供了一种取向型MOFs基阴离子交换的制备方法，包括以下步骤：S1)在金属片表面生长取向型ZIF纳米线；所述取向型ZIF纳米线中的金属离子为钴离子；S2)将生长有取向型ZIF纳米线的金属片浸泡于高分子聚合物溶液中，反应成膜后，得到取向型MOFs基阴离子交换；所述高分子聚合物溶液中的高分子聚合物含有苄氯基团或苄溴基团。优选的，所述步骤S1)具体为：A)将金属片浸泡于第一反应液中，加热反应，得到生长有取向型碱式碳酸钴纳米线的金属片；所述第一反应液包括可溶性钴盐、氟化铵与尿素；B)将所述生长有取向型碱式碳酸钴纳米线的金属片浸泡于第二反应液中，加热反应，得到生长有取向型ZIF纳米线的金属片；所述第二反应液包括咪唑类有机配体与碱性物质；所述碱性物质为包含氨基的有机碱或氨水。优选的，所述步骤A)中加热反应的温度为70℃～120℃；加热反应时间为8～15h；所述步骤B)中加热反应的温度为70℃～120℃；加热反应时间为8～15h。优选的，所述高分子聚合物溶液中高分子聚合物的浓度为85～115g/L。优选的，所述步骤S2)中反应成膜的温度为40℃～60℃；反应成膜的时间为3～10h。本专利技术还提供了上述取向型MOFs基阴离子交换膜在碱性阴离子交换膜燃料电池中的应用。本专利技术提供了一种取向型MOFs基阴离子交换膜、其制备方法及应用，该取向型MOFs基阴离子交换膜由取向型ZIF纳米线与高分子聚合物反应得到；所述取向型ZIF纳米线中的金属离子为钴离子；所述高分子聚合物含有苄氯基团或苄溴基团。与现有技术相比，本专利技术利用ZIF纳米线中咪唑类有机配体的碱稳定性来提高取向型MOFs基阴离子交换膜的耐碱性，同时通过咪唑类有机配体中的咪唑基团与高分子聚合物中的苄氯基团或苄溴基团反应，使高分子的长链贯穿取向型ZIF结构，提高了成膜性，进而增加了其在碱性阴离子交换膜燃料电池的应用性；并且取向型MOFs基阴离子交换膜中取向型ZIF成一维线性取向排列，此种结构可以引导氢氧根离子沿一致方向传递，提高传导效率，垂直于膜面的ZIF定向排列，也为电池性能测试提供先决条件。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的取向型的碱式碳酸钴纳米线的扫描电镜照片；图2为本专利技术实施例1制备的取向型ZIF-67纳米线的扫描电镜照片；图3为本专利技术实施例1制备的取向型MOFs基阴离子交换膜的扫描电镜照片。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供了一种取向型MOFs基阴离子交换膜，由取向型ZIF纳米线与高分子聚合物反应得到；所述取向型ZIF纳米线中的金属离子为钴离子；所述高分子聚合物含有苄氯基团或苄溴基团。其中，所述取向型ZIF纳米线中的有机配体为本领域技术人员熟知的咪唑类有机配体即可，并无特殊的限制，本专利技术中优选为2-甲基咪唑；所述取向型ZIF纳米线为本领域技术人员熟知的取向型ZIF纳米线，并无特殊的限制，本专利技术优选由取向型碱性碳酸铜与有机配体反应得到取向型ZIF纳米线；所述高分子聚合物为本领域技术人员熟知的含有苄氯基团或苄溴基团的高分子聚合物即可，并无特殊的限制，本专利技术中优选为聚氯甲基苯乙烯、氯甲基聚醚砜与溴甲基化聚苯醚中的一种或多种。取向型ZIF纳米线与高分子聚合物反应形成取向型MOFs基阴离子交换膜；所述取向型MOFs基阴离子交换膜的厚度优选为150～200μm。本专利技术利用ZIF纳米线中咪唑类有机配体的碱稳定性来提高取向型MOFs基阴离子交换膜的耐碱性，同时通过咪唑类有机配体中的咪唑基团与高分子聚合物中的苄氯基团或苄溴基团反应，使高分子的长链贯穿取向型ZIF结构，提高了成膜性，进而增加了其在碱性阴离子交换膜燃料电池的应用性；并且取向型MOFs基阴离子交换膜中取向型ZIF成一维线性取向排列，此种结构可以引导氢氧根离子沿一致方向传递，提高传导效率，垂直于膜面的ZIF定向排列，也为电池性能测试提供先决条件。本专利技术还提供了一种上述取向型MOFs基阴离子交换膜的制备方法，包括以下步骤：S1)在金属片表面生长取向型ZIF纳米线；所述取向型ZIF纳米线中的金属离子为钴离子；S2)将生长有取向型ZIF纳米线的金属片浸泡于高分子聚合物溶液中，反应成膜后，得到取向型MOFs基阴离子交换膜；所述高分子聚合物溶液中的高分子聚合物含有苄氯基团或苄溴基团。本专利技术对所有原料的来源并没有特殊的限制，为市售即可。按照本专利技术，首先在金属片表面生长取向型ZIF纳米线，其生长方法为本领域技术人员熟知的生长方法即可，并无特殊的限制，本专利技术中优选按照以下步骤进行：A)将金属片浸泡于第一反应液中，加热反应，得到生长有取向型碱式碳酸钴纳米线的金属片；所述第一反应液包括可溶性钴盐、氟化铵与尿素；B)将所述生长有取向型碱式碳酸钴纳米线的金属片浸泡于第二反应液中，加热反应，得到生长有取向型ZIF纳米线的金属片；所述第二反应液包括咪唑类有机配体与碱性物质；所述碱性物质为包含氨基的有机碱或氨水。所述金属片为本领域技术人员熟知的金属片即可，并无特殊的限制，本专利技术中优选为钛片。所述金属片先进行预处理；所述预处理的方法优选为：将金属片浸泡在浓盐酸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种取向型MOFs基阴离子交换膜，其特征在于，由取向型ZIF纳米线与高分子聚合物反应得到；所述取向型ZIF纳米线中的金属离子为钴离子；所述高分子聚合物含有苄氯基团或苄溴基团。

【技术特征摘要】
1.一种取向型MOFs基阴离子交换膜，其特征在于，由取向型ZIF纳米线与高分子聚合物反应得到；所述取向型ZIF纳米线中的金属离子为钴离子；所述高分子聚合物含有苄氯基团或苄溴基团。2.根据权利要求1所述的取向型MOFs基阴离子交换膜，其特征在于，所述取向型ZIF纳米线中的有机配体为2-甲基咪唑。3.根据权利要求1所述的取向型MOFs基阴离子交换膜，其特征在于，所述高分子聚合物选自聚氯甲基苯乙烯、氯甲基聚醚砜与溴甲基化聚苯醚中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的取向型MOFs基阴离子交换膜，其特征在于，所述取向型MOFs基阴离子交换膜的厚度为150～200μm。5.一种取向型MOFs基阴离子交换膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1)在金属片表面生长取向型ZIF纳米线；所述取向型ZIF纳米线中的金属离子为钴离子；S2)将生长有取向型ZIF纳米线的金属片浸泡于高分子聚合物溶液中，反应成膜后，得到取向型MOFs基阴离子交换膜；所述高分子聚合物溶液中的高分子聚合物含有苄氯基团或苄溴基团。6.根据权利要求5所...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐铜文，伍斌，余东波，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34