一种苯并咪唑基共价有机框架及其制备方法和应用、质子导体及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于质子导体技术领域，具体涉及一种苯并咪唑基共价有机框架及其制备方法和应用、质子导体及其制备方法和应用。本发明专利技术提供的苯并咪唑基共价有机框架中含有三氟甲基，当用于质子导体时，可以通过三氟甲基的作用干扰水、无机酸小分子的氢键作用，使得质子导体小分子的聚集效应被抑制，进而在低温下难以结晶而呈现出低温亚稳相，最终提升了质子导体在低温条件下的质子传导率。实施例的数据表明本发明专利技术的质子导体，在超低温下（

【技术实现步骤摘要】
一种苯并咪唑基共价有机框架及其制备方法和应用、质子导体及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于质子导体
，具体涉及一种苯并咪唑基共价有机框架及其制备方法和应用、质子导体及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]燃料电池因其具备极高的能量转化效率以及清洁无污染、环境友好等特点而受到广泛关注。质子传导率是质子导电材料的首要特性，在燃料电池的质子交换膜中发挥着重要作用。目前燃料电池中的质子导体在超低温下质子传导率不高甚至性能失效，因此，需要开发出在低温下同时具有高质子传导率和高化学稳定性的质子导体材料，促进新型燃料电池高效稳定的发展。

技术实现思路

[0003]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种苯并咪唑基共价有机框架及其制备方法和应用、质子导体及其制备方法和应用，本专利技术提供的苯并咪唑基共价有机框架当用于质子导体时，质子导体在低温条件下具有较高的质子传导率。
[0004]为了实现以上目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0005]本专利技术提供了一种苯并咪唑基共价有机框架，具有式I所示结构：
[0006]式I。
[0007]本专利技术还提供了上述所述的苯并咪唑基共价有机框架的制备方法，包括以下步骤：
[0008]将4,7
‑
二溴
‑2‑
(三氟甲基)
‑
1H
‑
苯并咪唑、4
‑
硝基苯硼酸频哪醇酯、碳酸钾和四三苯基膦钯、1,4
‑
二氧六环和去离子水混合，在无氧条件下，进行偶联反应，得到4,7
‑
双(4
‑
硝基苯基)
‑2‑
(三氟甲基)
‑
1H
‑
苯并[d]咪唑；所述4,7
‑
双(4
‑
硝基苯基)
‑2‑
(三氟甲基)
‑
1H
‑
苯
并[d]咪唑具有式I
‑
1所示结构：
[0009]ꢀꢀ
式I
‑
1；
[0010]将所述4,7
‑
双(4
‑
硝基苯基)
‑2‑
(三氟甲基)
‑
1H
‑
苯并[d]咪唑、四氢呋喃、无水乙醇和水合联胺混合，在钯/碳催化剂条件下，进行还原反应，得到4,4'
‑
(2
‑
(三氟甲基)
‑
1H
‑
苯并[d]咪唑
‑
4,7
‑
二基)二苯胺；
[0011]所述4,4'
‑
(2
‑
(三氟甲基)
‑
1H
‑
苯并[d]咪唑
‑
4,7
‑
二基)二苯胺具有式I
‑
2所示结构：
[0012]ꢀꢀ
式I
‑
2；
[0013]将三醛基间苯三酚、所述4,4'
‑
(2
‑
(三氟甲基)
‑
1H
‑
苯并[d]咪唑
‑
4,7
‑
二基)二苯胺和醋酸溶解至N,N
‑
二甲基乙酰胺，所得混合物在无氧条件下进行溶剂热反应，得到苯并咪唑基共价有机框架。
[0014]优选地，所述4,7
‑
二溴
‑2‑
(三氟甲基)
‑
1H
‑
苯并咪唑和4
‑
硝基苯硼酸频哪醇酯的质量比为2~3：3~4；
[0015]所述偶联反应的温度为95~105℃；保温时间为23~25h。
[0016]优选地，所述4,7
‑
双(4
‑
硝基苯基)
‑2‑
(三氟甲基)
‑
1H
‑
苯并[d]咪和水合联胺的用量比为2g：25~30mL；
[0017]所述还原反应的温度为110~130℃；保温时间为22~25h。
[0018]优选地，所述三醛基间苯三酚和4,4'
‑
(2
‑
(三氟甲基)
‑
1H
‑
苯并[d]咪唑
‑
4,7
‑
二基)二苯胺的摩尔比为0.05~0.2：0.1~0.3；
[0019]所述溶剂热反应的温度为110~130℃；保温时间为70~75h。
[0020]本专利技术还提供了上述所述的苯并咪唑基共价有机框架或所述制备方法得到的苯并咪唑基共价有机框架在质子导体中的应用。
[0021]本专利技术还提供了一种质子导体，包括苯并咪唑基共价有机框架、负载在苯并咪唑基共价有机框架的孔道结构中的正磷酸和与苯并咪唑基共价有机框架通过氢键连接的水；所述苯并咪唑基共价有机框架为上述所述的苯并咪唑基共价有机框架。
[0022]优选地，所述苯并咪唑基共价有机框架和正磷酸的质量比为1：0.4~1.1；正磷酸和苯并咪唑基共价有机框架的总质量和水的质量比为1：1~1.75。
[0023]本专利技术还提供了所述的质子导体的制备方法，包括以下步骤：
[0024]将苯并咪唑基共价有机框架进行活化，得到活化后的苯并咪唑基共价有机框架；
[0025]将正磷酸、活化后的苯并咪唑基共价有机框架和四氢呋喃混合，负载正磷酸后，脱除溶剂，得到负载正磷酸的苯并咪唑基共价有机框架；
[0026]将所述负载正磷酸的苯并咪唑基共价有机框架进行水蒸气吸附，得到所述质子导
体。
[0027]本专利技术还提供了一种燃料电池，所述燃料电池由阳极气体扩散层、阳极催化剂层、质子导体膜、阴极气体扩散层、阴极催化剂层和质子导体膜两侧的气体构成；
[0028]阳极气体扩散层侧的气体为氢气；阴极气体扩散层侧的气体为氧气或者空气；
[0029]所述质子导体为上述所述的质子导体。
[0030]优选地，所述阳极气体扩散层和阴极气体扩散层独立地包括碳纸；所述阳极催化剂层和阴极催化剂层独立地包括铂碳。
[0031]本专利技术提供了一种用于质子导体的苯并咪唑基共价有机框架，具有式I所示结构，本专利技术提供的苯并咪唑基共价有机框架含有三氟甲基，当用于质子导体时，可以通过三氟甲基的作用干扰水、正磷酸小分子的氢键作用，使得负载到孔道中的物质（正磷酸和水）的聚集效应被抑制，进而在低温下难以结晶而呈现出低温亚稳相，最终提升了质子导体在低温条件下的质子传导率。
[0032]实施例的数据表明本专利技术的质子导体，在超低温下（
‑
40℃）具有超快的质子传导率，在
ꢀ‑
40℃的初始传导率可达σ=1.94
×
10
‑
1 S
·
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于质子导体的苯并咪唑基共价有机框架，具有式I所示结构：式I。2.权利要求1所述的苯并咪唑基共价有机框架的制备方法，包括以下步骤：将4,7
‑
二溴
‑2‑
(三氟甲基)
‑
1H
‑
苯并咪唑、4
‑
硝基苯硼酸频哪醇酯、碳酸钾和四三苯基膦钯、1,4
‑
二氧六环和去离子水混合，在无氧条件下，进行偶联反应，得到4,7
‑
双(4
‑
硝基苯基)
‑2‑
(三氟甲基)
‑
1H
‑
苯并[d]咪唑；所述4,7
‑
双(4
‑
硝基苯基)
‑2‑
(三氟甲基)
‑
1H
‑
苯并[d]咪唑具有式I
‑
1所示结构： 式I
‑
1；将所述4,7
‑
双(4
‑
硝基苯基)
‑2‑
(三氟甲基)
‑
1H
‑
苯并[d]咪唑、四氢呋喃、无水乙醇和水合联胺混合，在钯/碳催化剂条件下，进行还原反应，得到4,4'
‑
(2
‑
(三氟甲基)
‑
1H
‑
苯并[d]咪唑
‑
4,7
‑
二基)二苯胺；所述4,4'
‑
(2
‑
(三氟甲基)
‑
1H
‑
苯并[d]咪唑
‑
4,7
‑
二基)二苯胺具有式I
‑
2所示结构： 式I
‑
2；将三醛基间苯三酚、所述4,4'
‑
(2
‑
(三氟甲基)
‑
1H
‑
苯并[d]咪唑
‑
4,7
‑
二基)二苯胺和
醋酸溶解至N,N
‑
二甲基乙酰胺，所得混合物在无氧条件下进行溶剂热反应，得到苯并咪唑基共价有机框架。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：李娟，刘禹琨，江东林，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：