Zr-MOF/单离子导体膜的制备与导电性能研究

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传统的液态聚合物电解质,一般易燃易泄露,存在很严重的安全隐患。相对于液态聚合物电解质,固态聚合物电解质则具有很好的安全性,同时具有很好的柔韧性,应用场景更广范。在固态聚合物电解质材料中,单离子导体由于阴离子固定可以避免固态电解质中出现浓差极化,具有高的安全性和可靠性,但是却面临着电导率过低的问题。已有的研究结果表明,在普通的双离子型聚合物电解质中通过金属有机框架材料(MOF)与双离子型聚合物的复合能有效提高离子电导率。本文通过单离子导体材料与金属有机框架材料(MOF)复合改善导电膜的导电性能。采用一步法制备了两种聚氨酯型单离子导体。红外光谱以及核磁共振氢谱证实两种单离子导体都被成功合成。利用溶液浇铸法浇铸成膜,通过阻抗测试,得到变温离子电导率,在室温30℃下离子电导率分别为1.06×10-7S/cm与7.22×10-8S/cm,随着温度上升电导率随之上升,80℃下离子电导率分别为2.27×10-6S/cm与1.90×10-6S/cm。通过热重分析,证明了两种单离子导体在294℃与267℃以下具有良好稳定性。利用简单的水热法,以氯化锆(ZrCl4)和2-氨基对苯二甲酸(NH2-BDC)为原料,制备了MOF材料UIO-66-NH2。同时比较了添加乙酸作为调制剂和不加乙酸作为调制剂两种方法对合成的影响。SEM结果表明,UIO-66-NH2粒径约为200 nm。后续研究了不同温度和时间对UIO-66-NH2合成的影响。热重分析显示UIO-66-NH2在328℃以下具有较好的热稳定性。通过溶液浇铸法将UIO-66-NH2与单离子导体复合,膜厚度均匀致密,没有明显的缺陷。通过阻抗测试计算离子电导率,发现随着UIO-66-NH2掺杂量的增大,复合电解质膜的离子电导率先增大后逐渐减小,在UIO-66-NH2掺杂量为5%时最高达到2.95×10-7S/cm,为未掺杂单离子导体的三倍。为了研究UIO-66-NH2提升单离子导体离子电导率的作用机理,从影响配位关系、结晶度以及提供额外的离子传输通道三个方面进行了探究。拉伸实验结果表明,复合电解质的强度在低的掺杂量下随着UIO-66-NH2的掺杂量的增加而增加,但是当UIO-66-NH2的掺杂量达到一定值后,复合电解质的强度随着掺杂量的增加而减小,在质量分数15%时强度达到最大值43.8 MPa。
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