Accelerating Anhydrous Proton Transport in Covalent Organic Frameworks: Pore Chemistry and its Impacts

质子 无水的 动态共价化学 化学 共价键 无机化学 分子 有机化学 超分子化学 物理 核物理学
作者
Shanshan Tao,Donglin Jiang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (33): e202408296-e202408296 被引量:25
标识
DOI:10.1002/anie.202408296
摘要

Proton conduction is important in both fundamental research and technological development. Here we report designed synthesis of crystalline porous covalent organic frameworks as a new platform for high-rate anhydrous proton conduction. By developing nanochannels with different topologies as proton pathways and loading neat phosphoric acid to construct robust proton carrier networks in the pores, we found that pore topology is crucial for proton conduction. Its effect on increasing proton conductivity is in an exponential mode other than linear fashion, endowing the materials with exceptional proton conductivities exceeding 10-2 S cm-1 over a broad range of temperature and a low activation energy barrier down to 0.24 eV. Remarkably, the pore size controls conduction mechanism, where mesopores promote proton conduction via a fast-hopping mechanism, while micropores follow a sluggish vehicle process. Notably, decreasing phosphoric acid loading content drastically reduces proton conductivity and greatly increases activation energy barrier, emphasizing the pivotal role of well-developed proton carrier network in proton transport. These findings and insights unveil a new general and transformative guidance for designing porous framework materials and systems for high-rate ion conduction, energy storage, and energy conversion.
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