李建荣&陈邦林Nature子刊:高质子传导性柔性MOF助力燃料电池!

时间:2017-10-23    浏览:166次

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)由于其高能量密度、低污染物排放以及温和的工作条件,被视为可再生清洁能源中的重要代表。对质子交换膜燃料电池而言,电解质材料的质子传导性是制约该技术使用的关键因素,设计制造具有高质子传导性的电解质材料,是质子交换膜燃料电池走向实用化的重大挑战!

表1. 各种MOF和Nafion膜的质子传导性对比

问题在于:目前所开发的大部分材料虽然在较高的湿度下具有良好的质子传导性,但是在相对湿度较低的情况下,质子传导性会急剧下降。

有鉴于此,北京工业大学李建荣教授和美国德州大学San Antonio分校陈邦林教授等人合作报道了一种化学稳定的柔性MOF材料,在较宽的湿度和温度范围下可保持较好的质子传导性。

图1. But-8(M) (M=Cr, Al)的结构以及But-8(Cr)离子交换性能

研究人员利用硫酸对预先合成的BUT-8(Cr)材料进行后处理修饰,处理后的MOF材料取名为BUT-8(Cr)A,是一种具有一维孔道的三维框架结构。其特点在于,一维孔道表面具有丰富的磺酸基位点(-SO3H),极大地促进了质子传递。

图2. But-8(Cr)A的质子传导性

研究人员认为,该材料的柔性结构以及丰富的-SO3H位点,允许其在不同湿度环境下自适应框架以确保质子在水分子的辅助作用下,传递路径保持畅通。因此,和其他MOF相比,这种含有高密度-SO3H的柔性MOF不仅在100%RH,80℃条件下具有高达1.27X10-1 Scm-1的质子传导性,而且在较宽的湿度和温度范围内都不会发生急剧降低,可维持在较高传导性状态。

图3. But-8(Cr)A优异质子传导性能可能的机理

Fan Yang, Gang Xu, Jian-Rong Li,Banglin Chen et al. A flexible metal–organic framework with a high density ofsulfonic acid sites for proton conduction. Nature Energy2017.

DOI:10.1038/s41560-017-0018-7

http://www.nature.com/articles/s41560-017-0018-7

-转自纳米人