Anchoring of Fe-MIL-101-NH2 to the Polymer Membrane Matrix through the Hinsberg Reaction to Promote Conductivity of SPEEK Membranes

材料科学 电导率 高分子化学 化学工程 聚合物 质子交换膜燃料电池 乙醚 傅里叶变换红外光谱 化学 复合材料 物理化学 有机化学 生物化学 工程类
作者
Hongjie Zhang,Xue-bin Shang,Xu-Ran Wang,Chenxi Zhang,Qing‐Lun Wang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:128 (14): 3499-3507 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.4c00185
摘要

SCPEEK@MOF proton exchange membranes, where SCPEEK is sulfinyl chloride polyether ether ketone and MOF is a metal-organic framework, were prepared by doping Fe-MIL-101-NH2 into polymers. The amino group in the MOF and the -SOCl2 group in thionyl chloride polyether ether ketone cross-link to form a covalent bond through the Hinsberg reaction, and the prepared composite membrane has stronger stability than other electrostatic interactions and simple physical doping composite membranes. The formation of covalent bonds improves the water absorption of the composite membrane, which makes it easy for water molecules to form hydrogen bonds. Moreover, SPEEK as a proton conductive polymer and the synergy of MOFs improve the proton conductivity of composite membranes. The composite membranes were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy, powder X-ray diffraction, scanning electron microscopy, and atomic force microscopy. The swelling rate, water absorption, mechanical stability, ion exchange capacity, and proton conductivity of the pure sulfonated polyether ether ketone (SPEEK) membrane were compared with those of the mechanically doped SPEEK/MOF membrane and the composite membrane SCPEEK@MOF doped with different ratios of Fe-MIL-101-NH2, and all of the SCPEEK@MOF showed superior performance. When the Fe-MIL-101-NH2 loading rate of the composite membrane is 2%, the proton conductivity of the composite membrane can reach 0.202 S cm-1 at 363 K and a 98% relative humidity, which is much higher than that of the SPEEK/MOF membrane obtained by simple physical doping under the same conditions.
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