金属氟化物官能化的质子交换固体载体、膜和离聚物的制作方法

背景技术：

1、质子交换膜(pem)为经设计用于传输质子(h+)同时对气体诸如氢气和氧气不可渗透的半透膜。pem可用于电化学操作，诸如水电解、氢燃料电池应用以及二氧化碳向甲醇的电化学还原。然而，这些应用涉及在环境温度至高温和酸性条件下的强氧化还原化学。有效的pem聚合物基质和其中负责质子传输性能的分子官能团必须在氧化还原应激(stress)的苛刻反应条件下保持稳健。

2、pem由具有高酸性官能团的在机械和化学上耐受的多孔框架构成。用于催化剂层制备的常规pem和离聚物大多含有磺酸官能团作为质子传输剂。例如，基于nafion的质子交换膜含有带有磺酸基的ptfe多孔框架。易于解离的磺酸基在pem中充当质子传输剂。然而，磺酸官能团承受由电化学操作产生的氧化还原应激的能力有限，这主要是由于硫固有的物理化学性能。

技术实现思路

1、以下描述呈现了本文所描述的方法和系统的一个或多个方面的简化概述，以便提供对这些方面的基本理解。该概述不是对所有考虑方面的广泛综述，并且既不旨在确定所有方面的关键或重要要素，也不旨在描绘任何或所有方面的范围。其唯一目的是以简化形式呈现本文描述的方法和系统的一个或多个方面的一些概念作为下面呈现的更详细描述的前序。

2、在一些示例性实例中，金属氟化物官能化的质子交换固体载体包含：质子交换固体载体，其包含含有氧(o)原子的取代基；和金属氟化物基团，其包含与取代基中所含氧原子共价键合的多价金属原子；其中所述金属原子具有负形式电荷(negative formalcharge)。

3、在一些示例性实例中，金属氟化物官能化的质子交换固体载体具有通式(ia)或(ib)：

4、[ss]—xm—mfn      (ia)

5、[ss]—rq—xm—mfn      (ib)

6、其中：[ss]表示固体载体；每个x独立地表示具有式(iia)、(iib)、(iic)、(iid)、(iie)、(iif)或(iig)中任一个的取代基：

7、

8、m为一(1)、二(2)或三(3)；m为与在一个或多个取代基x中的一个或多个氧(o)原子共价键合的多价金属原子并且具有负形式电荷；n为三(3)或四(4)；m和n之和为四(4)、五(5)或六(6)；每个r独立地表示将取代基x与固体载体[ss]连接并且任选地具有一个或多个侧悬部分(pendant moieties)的c1至c30烷基连接基链，所述侧悬部分对于所述连接基(linker)链r中的每个原子而言可以相同或不同，并且可以包括氢、羟基、氟基、氯基、二烷基氨基、氰基、羧酸基、羧酰胺基(carboxylic amide group)、羧酸酯基、烷基、烷氧基和芳基；并且q为等于或小于m的整数。

9、在一些示例性实例中，制备金属氟化物官能化的质子交换固体载体的方法包括：将具有通式mfn的金属氟化物的多价金属(m)原子与质子交换固体载体的氧原子共价键合，其中n为三或四；并且其中与氧原子共价键合的金属(m)原子具有负形式电荷。

10、在一些示例性实例中，膜电极组件包括：阴极；阳极；以及位于阴极和阳极之间的质子交换膜，所述质子交换膜包含金属氟化物官能化的质子交换固体载体，所述金属氟化物官能化的质子交换固体载体包含：质子交换固体载体，其包含含有氧(o)原子的取代基；和金属氟化物基团，其包含与取代基中所含氧原子共价键合的多价金属原子；其中所述金属原子具有负形式电荷。

11、在一些示例性实例中，固体电解质包含：质子交换固体载体，其包含氧原子；和金属氟化物基团，其包含与氧原子共价键合的金属原子并形成四价、五价或六价结构；其中所述金属原子具有负形式电荷。

12、在一些示例性实例中，质子交换膜包含：多孔聚合物网络；和金属氟化物交联的酸掺杂剂。

技术特征：

1.金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其包含：

2.根据权利要求1所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述金属原子与三个或四个氟(f)原子共价键合。

3.根据权利要求1所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述金属原子为锆(zr)。

4.根据权利要求1所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述金属原子为铝(al)、镓(ga)或铟(in)。

5.根据权利要求1所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述金属原子为硅(si)、锗(ge)或锡(sn)。

6.根据权利要求1所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中：

7.根据权利要求6所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述取代基包括膦酸基。

8.根据权利要求1所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述质子交换固体载体还包含与所述氧原子共价键合的硫(s)原子、碳(c)原子或磷(p)原子。

9.根据权利要求8所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述硫原子、所述碳原子或所述磷原子通过双键与额外氧(o)原子共价键合。

10.根据权利要求1所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中：

11.根据权利要求1所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述质子交换固体载体包含无机材料。

12.根据权利要求1所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述质子交换固体载体包含有机材料。

13.根据权利要求1所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述质子交换固体载体包含微米颗粒或纳米颗粒。

14.根据权利要求1所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中：

15.根据权利要求1所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述质子交换固体载体包含磺酸官能化的聚合物。

16.根据权利要求1所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述质子交换固体载体包含羧酸官能化的聚合物。

17.根据权利要求1所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述质子交换固体载体包含膦酸官能化的聚合物。

18.根据权利要求17所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述膦酸官能化的聚合物包括聚乙烯基膦酸聚合物。

19.根据权利要求1所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述质子交换固体载体包含磷酸酯官能化的聚合物。

20.根据权利要求19所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述磷酸酯官能化的聚合物包括掺杂有多磷酸的聚苯并咪唑(pbi)聚合物。

21.根据权利要求20所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述多磷酸的链与金属氟化物交联。

22.根据权利要求1所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中：

23.根据权利要求22所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述取代基和所述额外的取代基为相同的化学物质。

24.根据权利要求1所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中：

25.金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其具有通式(ia)或(ib)：

26.根据权利要求25所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述金属(m)原子选自周期表的第4族、第13族或第14族。

27.根据权利要求25所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述固体载体包含无机材料。

28.根据权利要求25所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述固体载体包含有机材料。

29.根据权利要求25所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述固体载体包含离聚物。

30.根据权利要求25所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中所述固体载体包含微米颗粒或纳米颗粒。

31.根据权利要求25所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中：

32.根据权利要求25所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中：

33.根据权利要求25所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中：

34.根据权利要求25所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中：

35.根据权利要求25所述的金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其中：

36.制备金属氟化物官能化的质子交换固体载体的方法，所述方法包括：

37.根据权利要求36所述的方法，其中将所述多价金属(m)原子与所述氧(o)原子共价键合包括：

38.根据权利要求37所述的方法，其中所述强碱包括金属氢氧化物、金属氢化物、金属酰胺、氢氧化四烷基铵、硅烷中的一种或多种。

39.根据权利要求37所述的方法，其还包括：

40.根据权利要求36所述的方法，其还包括：

41.根据权利要求40所述的方法，其还包括：

42.根据权利要求36所述的方法，其中所述金属(m)原子为锆(zr)。

43.根据权利要求36所述的方法，其中所述金属(m)原子为铝(al)、镓(ga)或铟(in)。

44.根据权利要求36所述的方法，其中所述金属(m)原子为硅(si)、锗(ge)或锡(sn)。

45.根据权利要求36所述的方法，其中所述质子交换固体载体包含无机材料。

46.根据权利要求36所述的方法，其中所述质子交换固体载体包含有机材料。

47.根据权利要求36所述的方法，其中所述质子交换固体载体包含离聚物。

48.根据权利要求36所述的方法，其中所述质子交换固体载体包含微米颗粒或纳米颗粒。

49.根据权利要求36所述的方法，其中：

50.根据权利要求36所述的方法，其中所述质子交换固体载体包含侧悬酸基，所述侧悬酸基包含与所述氧(o)原子共价键合的硫(s)原子、碳(c)原子或磷(p)原子，所述侧悬酸基包括磺酸基、羧酸基、膦酸基、酚基或磷酸酯基。

51.膜电极组件，其包括：

52.固体电解质，其包括：

53.质子交换膜，其包括：

技术总结公开了一种金属氟化物官能化的质子交换固体载体，其包含：质子交换固体载体，其包含含有氧原子的取代基；和金属氟化物基团，其包含与取代基中所含氧原子共价键合的多价金属原子；其中所述金属原子具有负形式电荷。技术研发人员：S·巴塔查里亚,D·索贝克受保护的技术使用者：1S1能源有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/25