Boosting Proton Conductivity in Highly Robust 3D Inorganic Cationic Extended Frameworks through Ion Exchange with Dihydrogen Phosphate Anions

阳离子聚合 电导率 化学 离子交换 质子 电解质 离子 磷酸盐 水解 无机化学 化学工程 物理化学 有机化学 物理 工程类 量子力学 电极
作者
Chengliang Xiao,Yaxing Wang,Quanqi Chen,Xuemiao Yin,Jie Shu,Daopeng Sheng,Zhifang Chai,Thomas E. Albrecht‐Schmitt,Shuao Wang
出处
期刊:Chemistry: A European Journal [Wiley]
卷期号:21 (49): 17591-17595 被引量:19
标识
DOI:10.1002/chem.201503733
摘要

Abstract The limited long‐term hydrolytic stability of rapidly emerging 3D‐extended framework materials (MOFs, COFs, MOPs, etc.) is still one of major barriers for their practical applications as new solid‐state electrolytes in fuel cells. To obtain hydrolytically stable materials, two H 2 PO 4 − ‐exchanged 3D inorganic cationic extended frameworks (CEFs) were successfully prepared by a facile anion‐exchange method. Both anion‐exchanged CEFs (YbO(OH)P and NDTBP) show significantly enhanced proton conductivity when compared with the original materials (YbO(OH)Cl and NDTB) with an increase of up to four orders‐of‐magnitude, reaching 2.36×10 −3 and 1.96×10 −2 S cm −1 at 98 % RH and 85 °C for YbO(OH)P and NDTBP, respectively. These values are comparable to the most efficient proton‐conducting MOFs. In addition, these two anion‐exchanged materials are stable in boiling water, which originates from the strong electrostatic interaction between the H 2 PO 4 − anion and the cationic host framework, showing a clear advance over all the acid‐impregnated materials (H 2 SO 4 @MIL‐101, H 3 PO 4 @MIL‐101, and H 3 PO 4 @Tp‐Azo) as practical solid‐state fuel‐cell electrolytes. This work offers a new general and efficient approach to functionalize 3D‐extended frameworks through an anion‐exchange process and achieves water‐stability with ultra‐high proton conductivity above 10 −2 S cm −1 .
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