Design, Preparation, and High Intrinsic Proton Conductivity of Two Highly Stable Hydrazone-Linked Covalent Organic Frameworks

材料科学 单体 电导率 化学工程 质子 金属有机骨架 吸附 物理化学 聚合物 有机化学 化学 复合材料 生物化学 工程类 物理 量子力学
作者
Shuai‐Long Zhang,Guo Zhong-cheng,Kai-Yin Xu,Zifeng Li,Gang Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (27): 33148-33158 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acsami.3c05990
摘要

Assembling crystalline materials with high stability and high proton conductivity as a potential alternative to the Nafion membrane is a challenging topic in the field of energy materials. Herein, we concentrated on the creation and preparation of hydrazone-linked COFs with super-high stability to explore their proton conduction. Fortunately, two hydrazone-linked COFs, TpBth and TaBth, were solvothermally prepared by using benzene-1,3,5-tricarbohydrazide (Bth), 2,4,6-trihydroxy-benzene-1,3,5-tricarbaldehyde (Tp), and 2,4,6-tris(4-formylphenyl)-1,3,5-triazine (Ta) as monomers. Their structures were simulated by Material Studio 8.0 software and confirmed by the PXRD pattern, demonstrating a two-dimensional framework with AA packing. The presence of a large number of carbonyl groups as well as -NH-NH2- groups on the backbone is responsible for their super-high water stability as well as high water absorption capacity. AC impedance tests demonstrated a positive correlation between the water-assisted proton conductivity (σ) of the two COFs and the temperature and humidity. Under 100 °C/98% RH, the highest σ values of TpBth and TaBth can reach 2.11 × 10-4 and 0.62 × 10-5 S·cm-1, which are among the high σ values of the reported COFs. Their proton-conductive mechanisms were highlighted by structural analyses as well as N2 and H2O vapor adsorption data and activation energy values. Our systematic research affords ideas for the synthesis of proton-conducting COFs with high σ values.
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