Nanoporous Perfluoroalkyl and Sulfonic Acid-Functionalized Covalent Organic Frameworks with Enhanced Proton Conduction for Proton-Exchange-Membrane Fuel Cells

纳米孔 磺酸 共价有机骨架 质子交换膜燃料电池 质子 共价键 化学工程 化学 燃料电池 材料科学 高分子化学 有机化学 生物化学 工程类 物理 量子力学
作者
Yihan Du,Yiming Yang,Zhen Shan,Xuran Xu,Hao Xu,Boying He,Yichen Liu,Xue Zhang,Bingqing Xu,Gen Zhang
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:8 (13): 6747-6754 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acsanm.5c00840
摘要

The proton-conducting materials serve as the key components of proton-exchange membrane fuel cells, significantly influencing their overall practical performance. Nafion is the predominant commercial proton-conducting material, known for its superior proton conductivity. However, its practical use is limited by high costs, disordered nanoscale pores, and restricted thermal stability. In this contribution, we developed a bottom-up self-assembly strategy to construct perfluoroalkyl- and sulfonic acid-functionalized covalent organic frameworks (COFs) using hydrazine ligation. The effects of fluorine chains of varying lengths on hydrophobicity and proton conductivity were systematically investigated. COF-Fx-SO3 exhibits a Nafion-like structure, enabling proton conduction through its nanoscale ordered channels. At a 97% relative humidity (RH) and 90 °C, the highest intrinsic proton conductivity is 7.7 × 10–3 S cm–1, which significantly surpasses that of nonfluorinated COFs. Moreover, the anhydrous proton conductivity of fluorinated COFs at 140 °C reaches 1.93 × 10–2 S cm–1 after doping with phosphoric acid, which is 1 orders of magnitude higher than that of nonfluorinated COFs. This work illustrates the practical feasibility of the nanoconfined effect in enhancing proton conduction and highlights the potential of Nafion-like COFs as proton-conducting materials.
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