Chem. Soc. Rev.: 质子传导金属有机框架的合理策略

雨辰

2021-04-21

质子传导材料在电化学装置的广泛应用中发挥了重要作用。尤其是，固态质子导体（SSPC）作为燃料电池（FC）的电解质正在兴起，因为它具有在宽广的温度范围内运行的高性能和安全性，成为一种有前景的发电技术。近年来，由于具有高质子传导性（> 10-2 S cm^-1）的多孔金属有机骨架（MOFs）因其在固体电解质中的潜在应用而得到了广泛的研究。它们的结构可设计性、结晶度和多孔性有利于制备一种新型的质子导体，并提供一种综合的导电机制。对于质子传导性MOF，每个组成部分，如金属中心，有机连接剂和孔隙空间，是通过一个明智的预先设计策略或合成后修饰来操纵，以通过有效的传导路径来改善移动质子浓度。

有鉴于此，京都大学Hiroshi Kitagawa和延世大学Dae-Woon Lim等人，从MOF组分的角度，重点介绍了高质子传导性MOF的合理设计策略，并分析了近年来的典型例子。随后，讨论了质子传导MOFs设计面临的挑战和未来的发展方向。

本文要点

1）多孔金属有机框架已成为各种应用的平台。特别是，质子传导性MOF在过去十年中迅速增长，并以逐年增加的速度取得了巨大的进展。该工作讨论了从框架设计到孔环境的各种策略，以及具有代表性实例的质子传导性MOFs的独特研究。具有高电导率的质子传导性MOF所需的特征如下：（1）框架的鲁棒性；在任何操作过程中，至少在水合和脱水过程中，框架的主干应该被保留；（2）质子给体和规则氢键的有序质子位点；（3）高载流子密度的浸渍。具有酸官能团（例如羧酸根，膦酸根和磺酸根）的酸性支链是设计质子传导性MOF的理想材料。此外，将酸性客体包裹在空隙中成为该领域的一种更通用的方法。

2）然而，在实际应用中仍存在一些障碍，如结构稳定性、膜的制备、晶界效应等。此外，有限的工作温度也是一个挑战。从质子传导MOF的研究角度来看，（1）从报告的结构的大数据系统中挖掘潜在的候选对象作为未来的工作很重要； （2）通过柔性结构设计潜在的传导途径，这种结构在表面上是不可见的，并且可以对外部刺激作出反应，有助于在低湿度条件下形成牢固的氢键网络。（3）从结构角度看，小孔径大空腔可以有效防止导电介质逸出，并在空腔内封装大量导电介质。（4）通过pKa梯度设计定向质子扩散可能为创造新材料提供机会；（5）低温下的高质子导电性和与H₂O介质相当的无水质子导电性可以作为下一个质子导电性MOFs的研究目标; 6）为提高质子交换膜（PEM）的机械强度，有必要研究MOFs和聚合物的杂化材料；（7）利用各种工具全面了解导电机理，有利于设计新的质子导体。

参考文献：

Dae-Woon Lim et al. Rational strategies for proton-conductive metal–organic frameworks. Chem. Soc. Rev., 2021.

DOI: 10.1039/D1CS00004G

https://doi.org/10.1039/D1CS00004G