High Proton Conductivity in Two Stable Bi(III)-Organic Frameworks Based on 2,6-Pyridinedicarboxylic Acid

化学 电导率 质子 金属有机骨架 电阻率和电导率 无机化学 化学工程 有机化学 物理化学 量子力学 电气工程 物理 工程类 吸附
作者
Ning‐Ning Ji,Jun Du,Zhi‐Qiang Shi,Xin Wang,Hailiang Hu,Qian Ren,Gang Li
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:64 (34): 17550-17560 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.5c03213
摘要

The exploration of proton-conducting metal-organic frameworks (MOFs) has attracted sustained interest fueled by their potential in energy conversion and storage. To expand the range of proton-conductive MOFs, this study focuses on bismuth-based MOFs, utilizing Bi(III)'s unique properties: low toxicity, strong affinity for O/N-containing ligands, and flexible coordination. Two stable Bi(III) MOFs, [Bi2(Hpdc)2(pdc)2]·2H2O (1) and [pip][Bi(Hpdc)(pdc)]·H2O (2) (H2pdc = 2,6-pyridinedicarboxylic acid; pip = piperazine), were hydrothermally synthesized, and their proton conduction was systematically studied. Both exhibit excellent structural, thermal, and water stability with frameworks featuring abundant H-bonded networks enabling proton transport. Alternating-current impedance spectroscopy showed conductivities highly dependent on temperature (30-100 °C) and relative humidity (68%-98% RH). Under optimal conditions (100 °C/98% RH), 1 and 2 achieved maximum conductivities of 3.38 × 10-4 and 0.65 × 10-3 S·cm-1, respectively. Activation energy (Ea) analysis revealed a mechanism transition: the Vehicle mechanism at 68% RH (Ea: 0.79 eV for 1, 0.97 eV for 2) and the Grotthuss mechanism at 98% RH (Ea: 0.22 eV for 1, 0.31 eV for 2). Powder X-ray diffraction confirmed structural integrity post-tests. This work advances research on crystalline proton-conducting MOFs and provides insights for next-generation system design.
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