金属有机框架质子导体及其质子交换膜的研究进展.docx

该【金属有机框架质子导体及其质子交换膜的研究进展 】是由【niuww】上传分享，文档一共【3】页，该文档可以免费在线阅读，需要了解更多关于【金属有机框架质子导体及其质子交换膜的研究进展 】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。金属有机框架质子导体及其质子交换膜的研究进展
一、引言
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种重要的非化石能源，它具有高效率、低污染的特点，是解决能源危机的重要手段。PEMFC的关键是质子交换膜，它不仅决定了燃料电池的性能和寿命，而且也是燃料电池成本的主要组成部分之一。传统PEMFC采用的是质子交换膜（PEM）和Pt/C催化剂，制造成本高昂，限制了其商业化应用。因此，在设计新型的 PEMFC 时，需要寻找成本更低、效率更高的新材料来替代传统 PEM，以推动 PEMFC 的发展。
金属有机框架（MOF）是一种新型的物质，具有高孔容、表面积大、化学稳定性好等特点，因此被认为是设计新型 PEMFC 材料的潜在候选材料之一。近年来，越来越多的研究表明，MOF 可以被用作 PEMFC 的吸附材料、质子导体和质子交换膜等关键组件，具有重要的应用价值。
二、MOF作为质子导体的研究进展
MOF 具有高阻抗，因此，MOF 质子导体的研究一直是一个挑战。在过去的几年里，研究人员通过合成新型 MOF 来改善其电导率，从而提高了 MOF 的质子导电性能。
1. 已有的MOF材料
已有的 MOF 材料中，Zr-based MOF 显示出了最高的质子导电性能。例如，UiO-66(Zr)和UiO-67(Zr)等 MOF 已经被证明是优秀的质子导体。事实上，UiO-66(Zr)显示出了比Nafion高5个数量级的质子导电性能。此外，Cr-, Al-and Fe-based MOF 也被用作质子导体，但这些 MOF 的电导率很低，通常需要高温才能达到较高的电导率。
2. 新型MOF材料
为了提高 MOF 的质子导电性能，研究人员合成了很多新型的 MOF。例如，HKUST-1 的质子导电性能可以通过调整其框架结构和化学环境来增强。此外，磺酸官能化 UiO-66(Zr) 显示出比未官能化 UiO-66(Zr) 更高的质子电导率，其主要原因是官能化使得 MOF 表面的质子导电基团增多，从而提高了 MOF 的质子导电性能。Lu 等人合成了一种新型的 Al-based MOF，并发现该 MOF 具有较高的质子电导率。除此之外，还有许多新型 MOF 被合成出来，并开始成为质子导体研究的热点。
三、MOF作为质子交换膜的研究进展
MOF 作为新型 PEM 的一种潜在候选材料，可以被用于制备具有优异性能的 PEM 质子交换膜。目前研究主要集中在以下几个方向：
1. MOF 表面改性
为了增加 MOF 的亲水性，从而提高其在水性环境中的应用性能，研究人员通常采用表面改性的方法。通过在 MOF 表面引入亲水基团，可以改善 MOF 与水之间的相互作用，从而增强 MOF 的水分散性并提高 PEM 的水化度。例如，Li 等人通过引入磺酸基团来改善 MOF 的亲水性能，从而获得了在水性环境中性能稳定的 MOF。
2. MOF 跨框架衍化（MOF crosslinking）
MOF 跨框架衍化是一种新型的材料制备方法，通过在 MOF 的中心金属离子之间引入化学交联剂，可以形成跨框架连接的三维网络结构，从而制备出具有良好稳定性和持久性的质子交换膜。例如，Zhou 等人合成了一种新型的 MOF 质子交换膜，其唯一的质子导体是框架中心的氨基，通过跨框架连接化学交联剂来增强 MOF 的稳定性，从而获得了优异的 PEM 性能。
3. MOF 碳化
MOF 碳化是一种制备高性能 PEM 的方法，其原理是通过在高温下热处理 MOF，将 MOF 转化为类似活性炭的碳材料，从而获得优异的电导率和化学稳定性。例如，Kim 等人在热处理 ZIF-8 的过程中，将其转化为紧密堆积、充满微孔的碳材料，从而获得了具有高孔容和高电导率的 PEM。
四、结论
MOF 作为一种新型的材料，具有良好的物理和化学性质，且具有许多优异的特点，如高孔容和表面积大、化学稳定性高等，因此成为设计新型 PEMFC 材料的潜在候选材料之一，被广泛应用于质子导体和质子交换膜等关键组件的研究中。虽然已有很多具有优异性能的 MOF 材料被开发出来，但是 MOF 作为 PEM 的应用还存在很多需要解决的问题，如 MOF 的阻抗、活性基团对 PEM 性能的影响，以及 PEM 在实际 PEMFC 中的应用性能等。因此，需要更加深入地研究 MOF 材料的性质和性能，并不断优化 MOF 的结构和化学环境，从而推进 MOF 作为新型 PEMFC 材料的商业化应用。