第一作者：Feng-Fan Yang

通訊作者：梁林鋒

通訊單位：山西大學(xué)

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氫鍵有機(jī)框架（HOFs）作為一種新型多功能材料，因其易于合成、明確的單晶結(jié)構(gòu)和容易再生備受關(guān)注。框架本身具有豐富的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，在質(zhì)子傳導(dǎo)方面具有潛力，但質(zhì)子傳輸受到晶粒邊界的限制。

本研究通過(guò)快速熔融淬火將動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的HOF-SXU-8轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)HOF-g，消除晶界效應(yīng)的影響。在無(wú)需濕度條件下，質(zhì)子導(dǎo)電性顯著提高，從1.31×10^-7 S cm^-1提高到5.62×10^-2 S cm^-1（100°C）。長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試顯示性能幾乎無(wú)退化，即使在30°C下，質(zhì)子導(dǎo)電性仍保持在1.2×10^-2 S cm^-1的高水平。分子動(dòng)力學(xué)模擬和X射線全散射實(shí)驗(yàn)揭示了HOF-g系統(tǒng)由三種團(tuán)簇組成，即1,5-萘二磺酸（1,5-NSA）陰離子團(tuán)簇、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）分子團(tuán)簇和H⁺-H₂O團(tuán)簇。其中，H⁺在橋接這些團(tuán)簇中起著重要作用，而高導(dǎo)電性主要與H3O+上的H+有關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化HOFs、實(shí)現(xiàn)高效質(zhì)子傳導(dǎo)以及推進(jìn)能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)設(shè)備的發(fā)展提供了寶貴的見(jiàn)解。

圖文導(dǎo)讀

圖1：HOF-SXU-8、HOF-SXU-9的合成以及HOF-SXU-8向HOF-g的玻璃化轉(zhuǎn)變過(guò)程的示意圖。

圖2：玻璃化轉(zhuǎn)變的特征，包括DSC掃描、PXRD、FTIR光譜、SEM圖像和光學(xué)照片。

圖3：HOF-SXU-8、HOF-SXU-9和HOF-g的質(zhì)子導(dǎo)電性質(zhì)。

圖4：HOF-g的質(zhì)子導(dǎo)電機(jī)制。

總結(jié)展望

本研究成功制備了動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的HOF-SXU-8和熱力學(xué)穩(wěn)定的HOF-SXU-9，并發(fā)現(xiàn)HOF-SXU-8在約110°C時(shí)通過(guò)部分DMF分子分解轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)HOF-g。HOF-g在無(wú)需濕度條件下表現(xiàn)出優(yōu)越的質(zhì)子傳導(dǎo)性能，從30°C至100°C的導(dǎo)電性高達(dá)5.62×10^-2 S cm^-1，并且具有良好的穩(wěn)定性。

MD模擬和X射線全散射實(shí)驗(yàn)表明，HOF-g系統(tǒng)由1,5-NSA陰離子團(tuán)簇、DMF分子團(tuán)簇和H⁺-H₂O團(tuán)簇三種類型的團(tuán)簇組成，其中H⁺在連接這些團(tuán)簇和導(dǎo)電性中起著關(guān)鍵作用。研究認(rèn)為，玻璃態(tài)HOF是一個(gè)值得深入探索的領(lǐng)域，有望為開(kāi)發(fā)安全且高性能的純固態(tài)電解質(zhì)開(kāi)辟新途徑。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Vitri?cation-enabled enhancement of proton conductivity in hydrogen-bonded organic frameworks

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-48158-8