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Proton Conductivities in Functionalized UiO-66: Tuned Properties, Thermogravimetry Mass, and Molecular Simulation Analyses

热重分析 分子 吸附 质子 金属有机骨架 质子交换膜燃料电池 电导率 化学 物理化学 化学工程 计算化学 化学物理 无机化学 有机化学 物理 催化作用 量子力学 工程类
作者
Fan Yang,Hongliang Huang,Xiayan Wang,Fan Li,Yuhan Gong,Chongli Zhong,Jian‐Rong Li
出处
期刊:Crystal Growth & Design [American Chemical Society]
卷期号:15 (12): 5827-5833 被引量:246
标识
DOI:10.1021/acs.cgd.5b01190
摘要

Pursuing new proton-conducting materials has become a key issue to improve the performance of proton exchange membrane fuel cells for clean energy. As newly emerging materials, metal–organic frameworks (MOFs) have been attracting wide attention in this regard. Herein, using stable UiO-66 as a platform, through the modification of different functional groups of −SO3H, −2COOH, −NH2, and −Br in ligands, we explore the strategy to tune the proton conductivities of MOFs. With the highly acidic and strong hydrophilic functional groups −SO3H and −COOH, UiO-66-SO3H and UiO-66-2COOH show quite high proton conductivities of 0.34 × 10–2 and 0.10 × 10–2 S cm–1 at 303 K and ∼97% relative humidity, respectively while the −NH2, −H, and −Br represent comparatively low conductivities under the same conditions. Furthermore, water molecules adsorbed in the pores are proved to contribute greatly to the proton conductivities of these MOFs. Thermogravimetry-mass spectrometry (TG-MS) and molecular simulations are then used to analyze the interactions between the water molecules and MOFs. TG-MS analyses show two water molecule loss processes in UiO-66-SO3H and UiO-66-2COOH, but one in UiO-66-NH2, UiO-66, and UiO-66-Br during heating, which indicates the stronger affinity of −SO3H and −COOH functionalized UiO-66 toward water molecules than those with −NH2 and −Br, as well as UiO-66 itself. The isosteric heats (−Qst) of water adsorption and radial distribution functions (RDFs) in these MOFs are also evaluated by molecular simulations. It was found that UiO-66-SO3H and UiO-66-2COOH have higher −Qst of 86.50 and 52.10 kJ mol–1, whereas UiO-66-NH2, UiO-66, and UiO-66-Br have lower ones, 34.03, 19.04, and 36.36 kJ mol–1, respectively. The RDFs reveal the formation of hydrogen-bonding networks in UiO-66-SO3H, UiO-66-2COOH, UiO-66-NH2, and UiO-66, but not in UiO-66-Br.
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