新材料及其应用

本发明属于氢键有机框架材料的制备领域，涉及一种基于五重互穿氢键有机框架材料，提供一种基于五重互穿氢键有机框架材料及其制备方法和应用，解决了现有氢键有机框架容易坍塌的问题。

成果亮点

本发明的目的在于提供一种基于五重互穿氢键有机框架材料及其制备方法和应用，解决了现有氢键有机框架容易坍塌的问题。 本发明是通过以下技术方案来实现： 一种基于五重互穿氢键有机框架材料，该基于五重互穿氢键有机框架材料的化学式为：{(TSM)·2(DBPy)·2(H2O)}n，其中，n为正整数，TSM为四(4-磺酸基苯基)甲烷阴离子，化学式为{TSM}4-，DBPy为1,1′-二氨基-4,4′-联吡啶阳离子，化学式为{C10H12N4}2+； DBPy2+上的氨基、TSM4-上的磺酸基以及游离的水分子相互作用形成3D蜂窝型骨架，3D蜂窝型骨架中有三种独特的通道，分别命名为C1、C2和C3； C1是四边形通道，被第一种类型的TSM4-配体占据；C2是十字形通道，被第二种类型的TSM4-配体占据；C3是矩形通道，被DBpy2+配体占据；

五重互穿氢键有机框架材料是一种新型的有机材料，它具有很高的比表面积和孔隙率，因此具有广泛的应用前景。

在储能方面，五重互穿氢键有机框架材料可以用于储氢和电池电极材料。由于这种材料具有优越的吸氢性能和电化学性能，因此可以作为高容量、高效率的储氢材料和电池电极材料。

在催化方面，五重互穿氢键有机框架材料可以用作催化剂载体和催化剂。由于这种材料的比表面积和孔隙率很高，因此可以负载大量的催化剂，从而提高催化效率。

在环境保护方面，五重互穿氢键有机框架材料可以用作空气净化材料和水处理材料。由于这种材料具有很好的吸附性能和离子交换性能，因此可以吸附空气中的有害气体和水中的有害离子，从而达到净化空气和水的目的。

在生物医学方面，五重互穿氢键有机框架材料可以用于药物载体和生物传感器。由于这种材料具有很好的生物相容性和亲水性，因此可以负载药物和生物分子，并且可以用于检测生物分子。

总之，五重互穿氢键有机框架材料是一种具有广泛应用前景的新型材料，它在储能、催化、环境保护和生物医学等领域都具有重要的应用价值。

另外，如果不考虑结构中的氨基吡啶阳离子，磺酸基阴离子和水分子通过氢键相互作用形成3D蜂窝型骨架(图2a)。最后，DBpy2+上的氨基通过N-H···O将相邻的互穿蜂窝型结构连接在一起，生成整个3D离子氢键有机骨架(图2c)，在氢键的驱动下，磺酸基阴离子、氨基吡啶阳离子和水分子组装成3D电中性氢键网络。如图1所示，该材料结构上的显著的特点是：a)为该材料的不对称单元；b)为第一种类型的TSM4-；c)为第二种类型的TSM4-；d)为DBpy2+的连接方式。如图4所示，此材料的氢键结构揭示了三种独特的通道：C1、C2和C3(图4)。C1是一个四边形通道，被第一种TSM4-配体占据。C2是十字形通道，被第二种TSM4-配体占据。C3是一个很小的矩形通道，被DBpy2+部分的氨基吡啶部分占据，由于通道的多样性以及通道中存在大孔，对水分子的进出很有利，从而提高了质子传导性能。本发明通过合理地选择刚性且具有特定几何构型的构建单元、引入五重穿插和π-π堆积作用制备出稳定且多孔的HOF材料。本发明制备的基于五重互穿氢键有机框架材料具有良好的热稳定性，通过XRD粉末衍射分析数据表明所得的产品纯度较高，热重分析表明热稳定性高，三维多孔框架的分解温度为280℃，具有较好的质子传导能力，是一种新型质子导电材料。

五重穿插氢键有机框架材料是在不考虑结构中的氨基吡啶阳离子的情况下，磺酸基阴离子和水分子之间通过氢键相互作用形成3D蜂窝型骨架，然后由五个相同的蜂窝型骨架结构相互穿插形成了一个具有五重穿插的氢键有机框架材料(图2a)，继而当结构中加入氨基吡啶阳离子时，DBpy2+上的氨基通过N-H···O将相邻的互穿蜂窝型结构连接在一起，生成整个3D离子氢键有机骨架(图2c)。

由本发明制备的基于五重互穿氢键有机框架材料与Nafion溶液通过重铸法制备而成质子交换膜材料，具有72mW/cm2的功率密度，是Nafion的1.4倍，最大电流密度为432.6mA/cm2，与Nafion相比提高了1.3倍。因此提出其在甲醇燃料电池中有很好的应用前景。