JACS：具有超疏水性的全氟烷基官能化共价有机骨架用于无水质子传导

Nanoyu

2020-07-26

无水质子传导材料的开发对于高温（>100 °C）聚合物电解质膜燃料电池（HT-PEMFCs）的制造至关重要，并且仍然是一项重大挑战。共价有机骨架（COFs）是一类新兴的多孔晶体材料，具有量身定制的纳米通道，在离子和分子传输方面具有巨大潜力，但其差的化学稳定性对于应用产生了巨大挑战。

近日，南京理工大学张根教授，日本京都大学Satoshi Horike报道了一种自下而上的自组装策略来构建全氟烷基功能化的连接的2D COF，并系统地研究了不同长度的氟链对其酸稳定性和质子电导率的影响。

文章要点

1）与不含氟的母体COF相比，由于疏水性增强（水接触角为144°），含氟COF对强酸具有结构超稳定性。此外，超疏水的一维纳米通道可以作为一个强大的宿主来容纳大量的膦酸，以便在无水条件下和宽温度范围内进行快速和长期的质子传导。

2）经H₃PO₄掺杂后的含氟COF在140 ℃时的无水质子电导率为4.2×10^-2 S cm^-1，比无氟COF高出4个数量级，是目前掺杂的多孔有机骨架材料中的最高值之一。

3）固体核磁共振研究表明，H₃PO₄与COF的骨架和全氟烷基链形成氢键网络，大多数H₃PO₄分子具有高度的动态性和流动性，而骨架却是刚性的，这为质子的快速传输提供了条件。

这项工作为通过孔表面的预先设计和功能化实现COF的目标特性铺平了道路，并突显了COF纳米通道作为快速离子传输的刚性平台的巨大潜力。

Xiaowei Wu, et al, Perfluoroalkyl-functionalized Covalent Organic Frameworks with Superhydrophobicity for Anhydrous Proton Conduction, J. Am. Chem. Soc., 2020

DOI: 10.1021/jacs.0c06474

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c06474