Advanced Materials:金属有机框架作为质子导体的多功能平台

随着世界人口的增加,城市化进程的加快,能源需求的不断提升。截至目前为止,世界上使用的大部分(大约80%)能源仍然依赖于传统的化石燃料,主要包括煤、石油和天然气等。然而,化石燃料的过度使用会释放各种有毒有害气体、挥发性有机物及二氧化碳,引起系列环境问题。开发新型的可持续替代能源一直是各国科研工作者的研究重心,其中燃料电池是一个很有前景的研究方向,它是通过氢气(或富氢燃料源)和氧气反应产生电能的新型替代能源技术。相对于传统内燃机,这类器件效率高、排放低,产生的废产物仅有热量和水,因而备受关注。同时,开发具有更高性能和成本效益的质子交换膜是新兴燃料电池研究的关键部分。

金属有机框架(MOF)材料是由金属离子或簇和有机配体在温和的反应条件下通过配位键自组装形成的各种具有特定性质的框架材料,合成简洁,结构测定方便(单晶衍射)。更重要的是这类材料具有高比表面积,规则有序和可调的孔径大小和形状,以及易功能化等特点,可以容纳多种客体分子作为质子载体,并能够系统地调节质子浓度和迁移率,其作为固体电解质在燃料电池中受到了广泛关注。

近日,福建师范大学张章静研究员和美国德克萨斯大学圣安东尼奥分校陈邦林教授等人合作在Advanced Materials上发表综述性文章(Metal–Organic Frameworks as a Versatile Platform for Proton Conductors, 2020),系统总结并概述了新兴MOF材料在潮湿环境质子传导、无水大气质子传导、单晶质子传导以及燃料电池用MOF基膜等领域作为质子传导多功能平台的发展现状和应用前景。

1首先,研究人员选择了几种具有代表性的MOF作为平台(例如MIL-101、UiO-66、HKUST-1和β-PCMOF-2),并阐述了一些通用或独特的策略以改善其质子传导性能。然后,详细阐述了质子导体在较宽温度范围内工作(尤其是在低于0 °C的温度下工作)的概念和重要性,这些材料在无水环境下表现出典型的质子导电行为。此外,还对质子转移机理和各向异性传导行为的研究进展进行了全面的讨论,并总结了几种有前途的MOFs作为组装燃料电池的质子交换膜。

2最后阐述了MOF材料在质子导体领域仍存在的机遇和挑战:i)MOF材料的水和热稳定性已经大大提高,但它们的机械强度和可加工性尚未得到充分考虑。ii)烷基链线性聚合物官能化的有机配体可用于制造新型的基于聚MOF的质子导体,以改善其机械性能和加工性能。iii)在MOF通道内原位制备线性聚合物(如聚苯胺、聚(乙烯醇)、聚(丙烯酸)),不仅可以提供连续的质子传导途径,而且可以提高膜电极的组装性能。iv)对于一些独特的MOF样品,由于其结构的无序或缺陷,对质子转移机制的了解有限,限制了其合理制造。原位实验或先进的表征技术(如准弹性中子散射和固态核磁共振),以及理论计算有望研究其质子传导机制。可以预见,科研工作者为应对这些挑战所做的努力必将为燃料电池技术带来光明的未来。

该论文的第一作者是福建师范大学叶应祥博士。

相关工作发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201907090)上。