Ultrafast Proton Conduction in an Aqueous Electrolyte Confined in Adamantane-like Micropores of a Sulfonated, Aromatic Framework

化学 电解质 水溶液 质子 化学物理 吸附 电化学 质子输运 水运 扩散 化学工程 热力学 物理化学 电极 水流 工程类 物理 环境工程 量子力学 生物化学
作者
Simon Winterstein,A. F. Privalov,Christopher Greve,Renée Siegel,B. Pötzschner,Michael Bettermann,Lea Adolph,Jana Timm,Roland Marschall,E. A. Rössler,Eva M. Herzig,Michael Vogel,Jürgen Senker
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (50): 27563-27575
标识
DOI:10.1021/jacs.3c09257
摘要

Sulfonated, cross-linked porous polymers are promising frameworks for aqueous high-performance electrolyte-host systems for electrochemical energy storage and conversion. The systems offer high proton conductivities, excellent chemical and mechanical stabilities, and straightforward water management. However, little is known about mass transport mechanisms in such nanostructured hosts. We report on the synthesis and postsynthetic sulfonation of an aromatic framework (SPAF-2) with a 3D-interconnected nanoporosity and varying sulfonation degrees. Water adsorption produces the system SPAF-2H20. It features proton exchange capacities up to 6 mequiv g-1 and exceptional proton conductivities of about 1 S cm-1. Two contributions are essential for the highly efficient transport. First, the nanometer-sized pores link the charge transport to the diffusion of adsorbed water molecules, which is almost as fast as bulk water. Second, continuous exchange between interface-bound and mobile species enhances the conductivities at elevated temperatures. SPAF-2H20 showcases how to tailor nanostructured electrolyte-host systems with liquid-like conductivities.
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