[发明专利]金属有机骨架结构改性的聚合物杂化质子交换膜及其制备方法

摘要

本发明属于膜技术领域，具体为一种金属有机骨架结构改性的聚合物杂化质子交换膜及其制备方法。本发明通过在二维纳米片层材料（2D NSs）表面上固定部分交联的MOF‑NH2以形成相互连贯的氨基功能化的金属有机骨架结构（I‑MOF‑NH2），再将其掺杂到聚合物中，得到相互连贯的氨基功能化的金属有机骨架结构改性的聚合物杂化质子交换膜。该质子交换膜在高、低湿条件下均具有优异的质子传导率，燃料渗透率低，同时具有极好的使用稳定性。本发明方法操作过程简单，制备条件温和，生产成本较低，便于批量化、规模化生产，具有良好的工业化生产基础和广阔的应用前景。

主权项

一种基于相互连贯的氨基功能化的金属有机骨架结构改性的聚合物杂化质子交换膜的制备方法，其特征在于具体步骤为：（1）将金属盐和氨基功能化的配体加入反应溶剂中，超声使其充分溶解，形成前驱体溶液；将所得前驱体溶液在50 ~ 280 ℃的条件下进行溶剂热反应4‑74 h，离心分离出产物，将所得产物先用反应溶剂清洗，再用低沸点溶剂清洗；然后在30 ~ 140 ℃的真空烘箱中干燥0.5 ~ 30 h，即得到氨基功能化的金属有机骨架，记为MOF‑NH₂；（2）将二维纳米片层材料（2D NSs）放入pH为 7 ~ 12的盐酸多巴胺的缓冲溶液中，在10 ~ 80 ℃的条件下搅拌1 ~ 48 h，过滤分离，并用去离子水清洗干净后冷冻干燥，即得到表面修饰聚多巴胺（PDA）的二维纳米片层材料，记为PDA‑2D NSs；（3）将MOF‑NH₂和PDA‑2D NSs放入pH为 7 ~ 12的缓冲溶液中，在10 ~ 80 ℃的条件下搅拌1 ~ 48 h，离心分离，并用去离子水清洗干净后冷冻干燥，即得到相互连贯的氨基功能化的金属有机骨架结构，记为I‑MOF‑NH₂；（4）往聚合物溶液中加入I‑MOF‑NH₂，并超声使其分散均匀得到铸膜液，将该铸膜液涂覆成膜后置于50 ~ 80 ℃烘箱中，升温至110 ~ 150 ℃，然后再保持12 ~ 36 h；最后该杂化膜经双氧水溶液和酸浸泡，即得到I‑MOF‑NH₂改性的聚合物杂化质子交换膜；其中，所述的金属盐为过渡金属盐或镧系金属盐中的一种，或其中几种的混合物，所述配体为氨基芳香羧酸或氨基含氮杂环化合物中的一种，或其中几种的混合物，金属盐和配体的摩尔比为1:16 ~ 16:1。