作为超高超质子导体的环形三脚受体

科学领域:

• 材料科学 材料科学 材料科学
• 电化学 电化学 电化学
• 超分子化学 超分子化学

背景情况:

• 质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 需要具有高导电性和稳定的固态质子导体 (SSPC).
• 从传统的SSPC中出酸仍然是一个重大挑战.
• 循环超分子化学为设计功能性材料提供了新的策略.

研究的目的:

• 开发一种基于键平台的新一类导质子三脚受体.
• 研究结构工程对质子导电性和稳定性的影响.
• 为解决SSPC中酸浸出问题.

主要方法:

• 合成两个三脚受体:三脚-COOH-P和三脚-NO2-P,具有明显的功能尾巴.
• 宿主-客人相互作用以在受体框架内定质子载体 (H3PO4和H2PO4-).
• 在80°C和80%的相对湿度 (RH) 中测量了质子导电性.
• 量子化学模拟以确定质子转移能量障碍 (E_PT).

主要成果:

• 三脚架-COOH-P的质子导电率为1.5 × 10^-2 S cm^-1,比三脚架-NO2-P (3.08 × 10^-5 S cm^-1) 高出三个数量级.
• 结构变化,包括键架构 (连续与闭环),显著影响了导电性.
• 量子化学模拟显示,与Tripod-NO2-P (24.9 kcal mol^-1) 相比,Tripod-COOH-P (13.7 kcal mol^-1 和 1.7 kcal mol^-1) 的E_PT较低.
• 在Tripod-COOH-P中观察到一个能量有利的量子道效应.

结论:

• 开发的三脚受体有效地定质子载体,减轻漏问题.
• 三脚架-COOH-P表现出异常的质子导电性,将其确立为一个有前途的超高质子导电平台 (>10^-2 S cm^-1).
• 通过互补的对接策略来定制键架构对于优化SSPC性能至关重要.