基于聚金属氧酸盐和离子水合物的复合质子导体的设计、合成和性能

摘要

固体质子导体在燃料电池、氢传感器、氢的分离提纯或脱氢等方面都有着广泛的应用。Keggin型杂多酸(HPAs)拥有一个独特的离子结构，包括杂多阴离子和对阳离子(H+，H3O+，H5O2+等)，下仅是一类优良的低温质子传导电解质，而且是一类制备无机-有机复合质子导体的优良添加剂。本论文的主要研究内容是通过Keggin结构多阴离子和离子水合物在金属-有机配位聚合阳离子或有机氢键网络载体的稳定微孔矩阵里有序排列，从而控制具有选择性纳米质子通道或质子传递途径，成功的合成了一系列无机-有机复合固体质子导体。
　　首先，选用了具有优良质子传导性的Keggin结构多阴离子[PM12O40]3-(M=Mo/W)作为阴离子单元，配体N-氧化吡啶-4-甲酸(HINO)以及与配体匹配的碱土金属离子为原料，室温下在乙腈/水的混合溶液中通过分子单元的自组装成功地合成了八个新型的有机-无机复合质子传导材料，即化合物1-8。用元素分析，光谱分析，质子导电性能分析及单晶衍射分析等对化合物1-8进行了表征。单晶X-射线衍射分析结果表明这八个化合物均呈现出带有一维(1D)通道的三维(3D)氢键网络结构。有趣的是，含有碱土金属Ca2+和Sr2+的化合物具有担载的Keggin型多阴离子链，其它化合物却有着独立的离子水合物和典型的Keggin型多阴离子链。紫外-可见分析结果表明这类化合物是微溶于水的。热重分析结果显示这类化合物在700℃以下没有失重。粉末衍射分析结果表明导电测试后的样品与测试前的样品其超分子的整个骨架相同。交流阻抗的分析研究结果表明化合物1-8随着温度及湿度的增力口，其导电率随之增加，它们在温度100℃相对湿度98％的情况下质子导电率均能达到100-3S·cm-1。实验结果表明化合物1-8具有良好的导电性，是一类新型的无机-有机复合固体质子传导材料。
　　其次，选择了具有纳米尺寸的高负电荷的Keggin结构[PW12O40]3-多阴离子作为前提物或模板，选择了4，4’-bipyridine-N，N’-dioxide(dpdo)作为合适的配体，通过与过渡金属Cu2+的作用在乙腈/水的二元氢键液体中成功的合成了化合物9。用元素分析，紫外分析，荧光分析，热重分析，质子导电性能分析和单晶衍射等进行了表征。单晶X-射线衍射分析结果表明该化合物结晶于一个立方空间群，具有三维非穿插骨架结构，该骨架的立方孔洞被多阴离子和质子化水簇占据。紫外-可见分析结果表明该化合物是微溶于水的。热重分析表明该化合物的骨架在300℃以下可以保持。荧光分析表明该化合物的晶体颗粒不能发生质子和碱金属离子的固液交换。交流阻抗测试结果表明该化合物具有良好的质子导电性，是一类新型无机-有机质子传导材料。