Exceptional Anhydrous Proton Conduction in Covalent Organic Frameworks

化学 无水的 共价键 质子 光化学 高分子化学 有机化学 核物理学 物理
作者
Shanshan Tao,Donglin Jiang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (26): 18151-18160 被引量:59
标识
DOI:10.1021/jacs.4c06049
摘要

Covalent organic frameworks (COFs) offer an irreplaceable platform for mass transport, as they provide aligned one-dimensional channels as pathways. Especially, proton conduction is of great scientific interest and technological importance. However, unlike proton conduction under humidity, anhydrous proton conduction remains a challenge, as it requires robust materials and proceeds under harsh conditions. Here, we report exceptional anhydrous proton conduction in stable crystalline porous COFs by integrating neat phosphoric acid into the channels to form extended hydrogen-bonding networks. The phosphoric acid networks in the pores are stabilized by hierarchical multipoint and multichain hydrogen-bonding interactions with the 3D channel walls. We synthesized five hexagonal COFs that possess different pore sizes, which are gradually tuned from micropores to mesopores. Remarkably, mesoporous COFs with a high pore volume exhibit an exceptional anhydrous proton conductivity of 0.31 S cm-1, which marks the highest conductivity among all examples reported for COFs. We observed that the proton conductivity is dependent on the pore volume, pore size, and content of phosphoric acid. Increasing the pore volume improves the proton conductivity in an exponential fashion. Remarkably, changing the pore volume from 0.41 to 1.60 cm3 g-1 increases the proton conductivity by 1150-fold. Interestingly, as the pore size increases, the activation energy barrier of proton conduction decreases in linear mode. The mesopores enable fast proton hopping across the channels, while the micropores follow sluggish vehicle conduction. Experiments on tuning phosphoric acid loading contents revealed that a well-developed hydrogen-bonding phosphoric acid network in the pores is critical for proton conduction.
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