An Ultra‐Robust and 3D Proton Transport Pathways iHOF with Single‐Crystal Superprotonic Conductivity Around 0.4 S cm−1

材料科学 氢键 堆积 电导率 质子 密度泛函理论 化学物理 晶体工程 单晶 离子键合 分子间力 各向异性 结晶度 质子输运 晶体结构 结晶学 核磁共振 分子 计算化学 物理化学 物理 离子 化学 有机化学 复合材料 量子力学
作者
Xiao‐Jie Cao,Li‐Hui Cao,Xiang‐Tian Bai,Xueling Hou,Hai‐Yang Li
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202409359
摘要

Abstract The weak intermolecular forces of hydrogen‐bonded organic frameworks (HOFs) make it relatively difficult to synthesize and design HOFs with superprotonic conductivity and robustness. The self‐assembly of ionic hydrogen bonding organic frameworks (iHOFs) through acid–base pairing strategies are possible on account of the rich hydrogen bonding, strong ionic bonding, and π–π stacking interactions and so on. Herein, a case of iHOF ( iHOF‐16 ) with a three‐dimensional (3D) hydrogen bonding network is reported, the doughty ionic bond interactions in the structure and π–π stacking interactions between layers make it exhibits excellent thermal and chemical stability, it can maintain high crystallinity and robust structure even under extreme conditions. Importantly, iHOF‐16 exhibits highly anisotropic proton conductivity of 0.388, 5.56 × 10 −3 , and 3.25 × 10 −4 S cm −1 in the direction of a ‐axis, b ‐axis, and c ‐axis, respectively. The proton transfer paths of single crystal on each axis are calculated using density functional theory (DFT) and, supported by joint experimental–theoretical calculations, protons are most easily transported in the a ‐axis direction resulting in superprotonic conductivity. The present study provides a promising approach for the design of stable superprotonic conductivity materials through a simple yet effective charge‐assisted synthesis strategy.
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