多核多氧硫钼酸盐化合物的合成及质子传导性能

doi:10.7503/cjcu20210657

摘要/Abstract

摘要：

质子交换膜燃料电池(PEMFC)因能量转化率高、污染小、工作温度低、启动速度快而被广泛应用. Nafion系列膜成本高、结构特性模糊, 阻碍了质子传导性能的进一步提高和对传导机理的精确理解. 因此开发具有结构明确、传导路径清晰的高质子传导率的晶态材料对于燃料电池领域具有重要意义. 本文利用有机配体5-羟基间苯二甲酸作为模板诱导[Mo₂S₂O₂]²⁺阳离子, 自组装成一种多核多氧硫钼酸盐簇[N(CH₃)₄]₂H₂· [(Mo₂S₂O₂)₈(OH)₁₆(C₈O₅H₄)₂]·22H₂O(Mo₁₆). 该化合物清晰明确的结构和结构中存在的密集氢键网络可用于进行质子传导性能的研究. 交流阻抗测试结果表明, Mo₁₆在宽温度范围内具有较高的质子传导性能. 在97%湿度(RH), 85 ℃条件下其质子传导率可达1.9×10^-2 S/cm, 表明该化合物具有作为高效质子导体的良好前景.

关键词: 多氧硫钼酸盐, 自组装, 质子传导

Abstract:

Proton exchange membrane fuel cell（PEMFC） is widely used for its high energy conversion rate， low pollution， low working temperature and fast start-up speed. The high cost and fuzzy structural characteristics of Nafion membranes hinder the further improvement of proton conduction performance and the accurate understanding of conduction mechanism. The development of crystalline materials with high proton conductivity with clear structures and clear conduction paths is of great significance to the field of fuel cells. Here， a novel polynuclear polyoxothiomolybdate cluster ［N（CH₃）₄］₂H₂［（Mo₂S₂O₂）₈（OH）₁₆（C₈O₅H₄）₂］·22H₂O（Mo₁₆） was got via using the organic ligand 5-hydroxyisophthalic acid as a template to induce the occurrence of self-assembly reaction of ［Mo₂S₂O₂］²⁺. The clear structure and the dense hydrogen bond network in the structure can be used for the study of proton conductivity. The alternating current（AC） impedance test results show that Mo₁₆ has high proton conductivity in a wide temperature range. Its proton conductivity can attain 1.9×10^-2 S/cm at 97% relative humidity（RH） and 85 ℃. It shows that the compound has good prospects as a high-efficiency proton conductor.

Key words: Polyoxothiomolybdate（POTM）, Self-assembly, Proton conduction

中图分类号:

O611.4

TrendMD:

李波, 孟禹汐, 王雯雯, 臧宏瑛. 多核多氧硫钼酸盐化合物的合成及质子传导性能. 高等学校化学学报, 2022, 43(1): 20210657.

LI Bo, MENG Yuxi, WANG Wenwen, ZANG Hongying. Synthesis and Proton Conductivity of Polynuclear Polyoxothiomolybdate Compound. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(1): 20210657.

图/表 6

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Identification code	［N（CH₃）₄］₂［Mo₁₆（5?OH?IsoP）₂］	D_c/（g·cm^-3）	2.007
Empirical formula	C₂₄H₁₄₂Mo₁₆N₂O₆₄S₁₆	μ/mm^-1	1.882
M_r	3482.88	F₀₀₀	3720.0
T/K	270.35	Crystal size/mm³	0.24×0.22×0.20
Crystal system	Monoclinic	λ/nm	0.071073
Space group	C₂/m	θ range/（°）	5.286—50.05
a/nm	1.3453（10）	Index ranges	-16≤h≤16， -27≤k≤27， -23≤l≤23
b/nm	2.3465（17）	Reflections collected	35766
c/nm	2.0105（16）	Independent reflections	5724（R_int=0.0390， R_sigma=0.0272）
α/（°）	90	Data/restraints/parameters	5724， 42， 376
β/（°）	91.581（3）	GOF on F²	1.083
γ/（°）	90	Final R indexes［I≥2σ（I）］	R₁=0.0337， wR₂=0.0832
V/nm³	6.3443（8）	Final R indexes（all data）	R₁=0.0425， wR₂=0.0885
Z	2	Largest diff. peak/hole/（e·nm^-3）	0.0012/-0.0078

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M_r	3482.88	F₀₀₀	3720.0
T/K	270.35	Crystal size/mm³	0.24×0.22×0.20
Crystal system	Monoclinic	λ/nm	0.071073
Space group	C₂/m	θ range/（°）	5.286—50.05
a/nm	1.3453（10）	Index ranges	-16≤h≤16， -27≤k≤27， -23≤l≤23
b/nm	2.3465（17）	Reflections collected	35766
c/nm	2.0105（16）	Independent reflections	5724（R_int=0.0390， R_sigma=0.0272）
α/（°）	90	Data/restraints/parameters	5724， 42， 376
β/（°）	91.581（3）	GOF on F²	1.083
γ/（°）	90	Final R indexes［I≥2σ（I）］	R₁=0.0337， wR₂=0.0832
V/nm³	6.3443（8）	Final R indexes（all data）	R₁=0.0425， wR₂=0.0885
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