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Unique Proton Transportation Pathway in a Robust Inorganic Coordination Polymer Leading to Intrinsically High and Sustainable Anhydrous Proton Conductivity

化学 无水的 质子 电导率 质子输运 聚合物 化学物理 纳米技术 化学工程 有机化学 物理化学 生物化学 核物理学 工程类 物理 材料科学
作者
Daxiang Gui,Xing Dai,Zetian Tao,Tao Zheng,Xiangxiang Wang,Mark A. Silver,Jie Shu,Lanhua Chen,Yanlong Wang,Tiantian Zhang,Jian Xie,Lin Zou,Yuanhua Xia,Jujia Zhang,Jin Zhang,Ling Zhao,Juan Diwu,Ruhong Zhou,Zhifang Chai,Shuao Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:140 (19): 6146-6155 被引量:196
标识
DOI:10.1021/jacs.8b02598
摘要

Although comprehensive progress has been made in the area of coordination polymer (CP)/metal–organic framework (MOF)-based proton-conducting materials over the past decade, searching for a CP/MOF with stable, intrinsic, high anhydrous proton conductivity that can be directly used as a practical electrolyte in an intermediate-temperature proton-exchange membrane fuel cell assembly for durable power generation remains a substantial challenge. Here, we introduce a new proton-conducting CP, (NH4)3[Zr(H2/3PO4)3] (ZrP), which consists of one-dimensional zirconium phosphate anionic chains and fully ordered charge-balancing NH4+ cations. X-ray crystallography, neutron powder diffraction, and variable-temperature solid-state NMR spectroscopy suggest that protons are disordered within an inherent hydrogen-bonded infinite chain of acid–base pairs (N–H···O–P), leading to a stable anhydrous proton conductivity of 1.45 × 10–3 S·cm–1 at 180 °C, one of the highest values among reported intermediate-temperature proton-conducting materials. First-principles and quantum molecular dynamics simulations were used to directly visualize the unique proton transport pathway involving very efficient proton exchange between NH4+ and phosphate pairs, which is distinct from the common guest encapsulation/dehydration/superprotonic transition mechanisms. ZrP as the electrolyte was further assembled into a H2/O2 fuel cell, which showed a record-high electrical power density of 12 mW·cm–2 at 180 °C among reported cells assembled from crystalline solid electrolytes, as well as a direct methanol fuel cell for the first time to demonstrate real applications. These cells were tested for over 15 h without notable power loss.
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