Metalo Hydrogen-Bonded Organic Frameworks Self-Assembled by Charge-Assisted Synthons for Ultrahigh Proton Conduction

合成子 超分子化学 氢键 质子 晶体工程 化学 分子 无机化学 结晶学 纳米技术 化学工程 材料科学 晶体结构 有机化学 物理 量子力学 工程类
作者
Dong Shao,Le Shi,Genyan Liu,Jing Yue,Shujun Ming,Xiaodong Yang,Junlun Zhu,Zhijun Ruan
出处
期刊:Crystal Growth & Design [American Chemical Society]
卷期号:23 (7): 5035-5042 被引量:37
标识
DOI:10.1021/acs.cgd.3c00263
摘要

Hydrogen-bonded organic frameworks (HOFs) have been well recognized for constructing solid-state proton-conducting materials due to their inherent well-defined H-bonded networks; however, the design and synthesis of stable HOFs showing ultrahigh superprotonic conductivity is still challenging. Herein, we reported a facile and effective synthetic strategy to build high proton-conducting metalo hydrogen-bonded organic–inorganic frameworks (MHOFs) through charge-assisted inorganic and organic synthons. The supramolecular self-assembly of simple metal salts and tetra-carboxylic acids gives rise to two hydrogen-bonded frameworks, [M(H2O)6][H2tcba] (M = Zn2+, Ni2+; H4tcba = 1,2,4,5-benzenetetracarboxylic acid). X-ray crystallography and gas adsorption confirmed the nonporous nature of the HOIFs. Variable-temperature single-crystal and powder X-ray diffraction experiments reveal the thermal and water stability of the supramolecular structures sustained by exclusively charge-assisted hydrogen bonds. The high density of carboxylic acid groups and coordinated water molecules provide ample protons and hydrophilic environments for efficient proton transport; therefore, variable-temperature and -humidity electrochemical impedance spectroscopy revealed that MHOFs are good supramolecular proton conductors with conductivities up to 1.1 × 10–2 and 2.1 × 10–2 S·cm–1 for 1 and 2, respectively, at 80 °C under 97% RH. Our study demonstrates great potential of charge-assisted inorganic and organic synthons in the design and construction of proton-conducting HOIFs.
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