一种离子型氢键有机框架材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于离子型氢键有机框架材料的制备领域，具体公开了一种具有质子传导性能的离子型氢键有机框架材料，其化学式为：{TPE

【技术实现步骤摘要】
一种离子型氢键有机框架材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于氢键有机框架材料的制备领域，具体涉及一种离子型氢键有机框架材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]迈入21世纪以来，随着世界的快速发展和进一步推进城市化，我们对能源的需求越来越大，寻找可再生的清洁能源迫在眉睫。在众多新能源中，质子交换膜燃料电池对环境的污染程度较轻，能够不通过燃烧的方式直接将燃料转化为电能，能够有效的推动能源的可持续发展，避免了化石燃料的局限性。质子交换膜燃料电池具有高效节能、启动快速、燃料种类广泛、使用寿命长等优点。质子交换膜主要是杜邦公司生产的Nafion系列全氟磺酸膜，但是其制备工艺复杂，价格昂贵，并且只能在70
‑
120℃温度内工作，超过该温度范围后膜内含水量明显减少，导电率下降。因此设计合成能够在高温不增湿或者低增湿条件下性能优异且成本低廉的质子传导材料具有重大科学意义和应用前景。
[0003]氢键有机框架(Hydrogen
‑
Bonded Organic Frameworks，HOFs)材料是与金属有机框架(MOFs)研究并行，在近年来被密切相关的超分子结构。在HOFs中，接头连接是通过氢键网络而不是无机建筑单元，氢键提供了更加简单的连接方式，所以HOF可以更容易的实现稳定的氢键超分子网络的设计和合成，并且更加易于回收。由于其不含有重离子，从而提供了更加环保的解决方案。氢键有机框架(HOFs)在能源气体储存、选择性分离、催化、小分子识别，质子传导等方面展现出丰富的应用价值，近年来一直是国际学术研究热点。从结构的角度来看，HOF中的建筑单元和H键连接使它们成为理想的导电材料。具体而言，建筑单元的氢键供体/受体基团可以用作质子源或载体，而广泛的氢键提供了多种质子运输途径。HOF的灵活性和溶液可加工性的特征为膜制造开辟了新的可能性。HOFs作为导体的另一个优点是大多数HOFs都对湿度稳定，有利于质子传导。相反，大多数MOF在潮湿环境中不稳定。由于现在所报道的氢键有机框架材料稳定性较差，而我们所合成的氢键有机框架材料加入了离子键，增强了材料的稳定性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种离子型氢键有机框架材料及其制备方法和应用，解决了现有氢键有机框架材料稳定性的问题。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0006]一种离子型氢键有机框架材料，该离子型氢键有机框架材料的化学式为：{TPE
‑
SO3H
·
2(DBD)
·
2(DMF)
·
4(H2O)}
n
，其中，n为正整数，TPE
‑
SO3H为1,1,2,2
‑
四磺酸苯基乙烯，DBD为(C5NH4NH2)
22+
，DMF为N,N'
‑
二甲基甲酰胺。
[0007]进一步，所述离子型氢键有机框架材料的结构单元属于三斜晶系，空间群为P
ī
，分子式为C
52
H
62
N
10
O
18
S4，晶胞参数：，晶胞参数：α＝
102.789
°
，β＝99.968
°
，γ＝112.169
°
，
[0008]进一步，所述离子型氢键有机框架材料由多个重复单元聚合而成，每个重复单元包含四个水分子和两个DMF分子、两个DBD分子及一个TPE
‑
SO3H分子。
[0009]进一步，DBD分子上的氨基，TPE
‑
SO3H分子上的磺酸基以及水分子形成一维的氢键网络。
[0010]进一步，所述离子型氢键有机框架材料为多孔材料，热稳定的温度达到330℃。
[0011]进一步，所述离子型氢键有机框架材料在98％湿度和100℃时的最大阻抗值在15Ω，导电率为4.6
×
10
‑3S/cm2，E
a
＝0.61eV。
[0012]本专利技术还公开了所述的离子型氢键有机框架材料的制备方法，包括以下步骤：
[0013]1)将TPE
‑
SO3H和DBD按照1:1～2的摩尔比例溶解在水和DMF的混合溶液中，得到反应液；其中，水和DMF的摩尔比为1:1～2；
[0014]2)将步骤1)得到的反应液在室温下静置，得到黄色块状晶体，自然干燥，得到离子型氢键有机框架材料。
[0015]进一步，TPE
‑
SO3H的制备方法为：将1,1,2,2
‑
四苯乙烯加入到浓硫酸中，在115℃下反应4小时，之后用冷水进行猝灭，得到混合液；然后将乙酸乙酯加入混合液中，搅拌、过滤、洗涤、干燥，得到TPE
‑
SO3H配体粉末。
[0016]本专利技术还公开了所述的离子型氢键有机框架材料作为质子导电材料的应用。
[0017]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0018]本专利技术公开了一种氢键有机框架材料，该材料中通过磺酸根与氨根之间通过氢键连接形成一维的氢键网络链，这种链有助于质子的运输；本专利技术制备的离子型氢键有机框架材料具有良好的热稳定性，通过XRD粉末衍射分析数据表明所得的产品纯度较高，热重分析表明热稳定性高，三维多孔框架的分解温度为330℃，同时对质子运输有较好的性能，具有较好的质子导电能力，是一种新型质子导电材料。
[0019]本专利技术还公开了该离子型氢键有机框架材料的制备方法，由TPE
‑
SO3H和DBD制备得到，合成原料易得，制备工艺简单，操作方便，产率较高。本专利技术的聚合物作为质子导电材料时，电导率可以达到4.6
×
10
‑3S/cm2，具有很好的应用前景。
附图说明
[0020]图1为本专利技术实施例2合成的氢键有机框架材料的配位环境示意图；
[0021]图2为本专利技术实施例2合成的氢键有机框架材料的二维氢键网络结构；
[0022]图3为本专利技术实施例2合成的氢键有机框架材料的三维结构示意图；
[0023]图4为本专利技术实施例2合成的氢键有机框架材料晶体的X
‑
射线粉末衍射图；
[0024]图5为本专利技术实施例2合成的氢键有机框架材料晶体的热重分析图；
[0025]图6为本专利技术实施例2合成的氢键有机框架材料的阻抗图；
[0026]图7为本专利技术实施例2合成的氢键有机框架材料的活化能分析图。
具体实施方式
[0027]下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。
[0028]本专利技术公开了一种离子型氢键有机框架材料，其化学式为：{TPE
‑
SO3H
·
2(DBD)
·
2(DMF)
·
4(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种离子型氢键有机框架材料，其特征在于，该离子型氢键有机框架材料的化学式为：{TPE
‑
SO3H
·
2(DBD)
·
2(DMF)
·
4(H2O)}
n
，其中，n为正整数，TPE
‑
SO3H为1,1,2,2
‑
四磺酸苯基乙烯，DBD为(C5NH4NH2)
22+
，DMF为N,N'
‑
二甲基甲酰胺。2.根据权利要求1所述的一种离子型氢键有机框架材料，其特征在于，所述离子型氢键有机框架材料的结构单元属于三斜晶系，空间群为P
ī
，分子式为C
52
H
62
N
10
O
18
S4，晶胞参数：α＝102.789
°
，β＝99.968
°
，γ＝112.169
°
，3.根据权利要求1所述的一种离子型氢键有机框架材料，其特征在于，所述离子型氢键有机框架材料由多个重复单元聚合而成，每个重复单元包含四个水分子和两个DMF分子、两个DBD分子及一个TPE
‑
SO3H分子。4.根据权利要求3所述的一种离子型氢键有机框架材料，其特征在于，DBD分子上...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹丽慧，杨妍，徐小倩，白向田，赵芳，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：