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Abundant Hydrophilic Atoms Enhanced the Proton Conductivity of a Stable Metal–Organic Framework in a Wide Relative Humidity Range

电导率 质子 相对湿度 金属有机骨架 化学 分子 金属 产量(工程) 吸附 氢键 材料科学 化学物理 纳米技术 物理化学 热力学 有机化学 核物理学 物理 冶金
作者
Zhengqing Zhang,Qi Han,Shouxin Zhang,Xiangyu Guo,Hongliang Huang,Fan Yang,Chongli Zhong
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:10 (36): 11867-11874 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.2c02722
摘要

The low proton conductivity of proton-conducting solids at reduced relative humidity (RH) hinders the performance of fuel cells. Hence, we propose an assumption that a metal–organic framework (MOF) with a large portion of hydrophilic atoms may hold the adsorbed water molecules at reduced RH and thus maintain a high proton conductivity. As a proof, a Cu-based MOF whose ligand contains a large portion of O and N atoms is investigated and verified to be able to sustain the high water uptake capacity from 100 to 43% RH. Benefiting from the high and steady water uptake, the proton conductivity surpasses 10–3 S cm–1 even at 43% RH, higher than that of most reported proton-conducting MOFs at low RH. Moreover, the conductivity reaches up to 1.80 × 10–2 S cm–1 at 80 °C and 100% RH and is maintained up to 120 h, not only demonstrating an excellent stability but also reaching the highest proton conductivity benchmark (>10 – 2 S cm–1) of MOFs. Also, the synthesis time of this MOF is shortened to 7 h with a high yield of 99% at room temperature, superior to the reported proton-conducting MOFs. Molecular dynamics simulation further proves that the abundant hydrophilic atoms of the MOF keep the high water density in the pores in such a wide RH range, leading to the integrity of the hydrogen bonding networks to smoothly conduct protons. This work not only discovers a highly proton-conducting MOF in a wide RH range, but also provides a strategy to discover conductive MOFs by the portion of hydrophilic atoms in the MOFs, opening a cost-saving avenue to provide highly proton-conductive materials.
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