Water-Stable Al(III) Coordination Polymer Glass with High Proton Conductivity toward Stable Electrolytes in a Fuel Cell

无水的 电解质 电导率 材料科学 离子电导率 化学工程 离子键合 质子输运 质子 聚合物 无机化学 化学 物理化学 离子 复合材料 有机化学 电极 工程类 物理 量子力学
作者
Takahashi Kazuki,Tomohiro Ogawa,Tomoya Itakura,Kenichiro Kami,Satoshi Horike
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (24): 11937-11945 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acsaem.4c02310
摘要

Coordination polymer (CP) glasses make up a class of solid-state proton conductors as possible electrolytes for anhydrous H2/O2 fuel cells. Toward these potential applications, the development of water-stable CP glasses is crucial to maintaining stable power generation over the long-term. Here, we report a water-stable Al(III)-based CP glass ((dema)0.9[Al(H2O)1.8(H2PO4)3.9(H3PO4)1.1]). Compared to previously reported Zn-based CP glasses, the Al-based CP glass showed significantly higher hydrolytic stability due to stable coordination bonds. In addition to improved water stability, the Al-based CP glass exhibited high viscosity (η = 101–104 Pa·s) and high ionic conductivity (>20 mS·cm–1 at 120 °C) under anhydrous conditions. This unique property is attributed to a Grotthuss-type selective proton transport mechanism. The H2/O2 fuel cell power generation using this CP glass exhibited a high maximum power density (299 mW·cm–2) and high open-circuit voltage (0.93 V) under anhydrous conditions at 120 °C. These results demonstrate that the employment of Al(III) in CP glasses is a promising strategy for the practical application of CP glasses in fuel cell devices.
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