Bio‐Inspired Synthetic Hydrogen‐Bonded Organic Frameworks for Efficient Proton Conduction

膦酸盐 氢键 材料科学 质子 电导率 结晶学 化学物理 分子 有机化学 物理化学 化学 生物化学 量子力学 物理
作者
Yayong Sun,Jing Wei,Zhaoming Fu,Minyi Zhang,Sangen Zhao,Gang Xu,Chunsen Li,Jian Zhang,Tianhua Zhou
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (7) 被引量:28
标识
DOI:10.1002/adma.202208625
摘要

Hydrogen-bonded organic frameworks (HOFs) are a rising class of promising proton-conducting materials. However, they always suffer from the inherent contradiction between chemical stability and proton conduction. Herein, inspired by the self-assembly of lipid bilayer membranes, a series of aminomethylphosphonic acid-derived single-component HOFs are successfully developed with different substituents attached to the phosphonate oxygen group. They remain highly stable in strong acid or alkaline water solutions for one month owing to the presence of charge-assisted hydrogen bonds. Interestingly, in the absence of external proton carriers, the methyl-substituted phosphonate-based HOF exhibits a very high proton conductivity of up to 4.2 × 10-3 S cm-1 under 80 °C and 98% relative humidity. This value is not only comparable to that of HOFs consisting of mixed ligands but also is the highest reported in single-component HOFs. A combination of single-crystal structure analysis and density functional theory calculations reveals that the high conductivity is attributed to the strengthened H-bonding interactions between positively charged amines and negatively charged phosphonate groups in the channel of bio-inspired HOFs. This finding demonstrates that the well-defined molecular structure of proton conductors is of great importance in the precise understanding of the relationship between structure and property.
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