近日，我校化学与材料学院张章静研究员和项生昌研究员带领的多孔能源材料团队与美国Texas大学的Banglin Chen教授合作在高导电质子材料领域取得重大研究进展。他们的研究成果“直接负载咪唑到金属有机框架材料内以获得高质子导电性”（Straightforward Loading of Imidazole Molecules into Metal−Organic Framework for High Proton Conduction）于2017年10月26日在国际化学顶级期刊《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 15604−15607, SCI一区，影响因子13.858）上在线发表。这是该团队再次以我校为第一单位在《美国化学会志》上发表论文，代表我校在自然科学领域又取得一项高水平的研究成果。该工作的第一作者是博士生叶应祥。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于具有能源转换效率高、超低排放等优点而被公认为最有希望的绿色清洁能源。目前，商业化的质子交换膜材料是由杜邦公司研发的全氟磺酸（Nafion）膜，但因其质子导电性能对膜中水含量的依赖度高，生产工艺复杂，价格昂贵，因此Nafion膜无法满足大规模生产要求。开发具有高导电性的质子交换材料是迫切的，但又十分具有挑战性。该论文选择高水热稳定性的金属有机框架材料（NENU-3）作为主体骨架，通过传统的两步法和简易的一步法分别合成咪唑负载的质子导体材料Im-Cu@(NENU-3a)和Im@(NENU-3)。出乎意料的是，在90% RH，70 ^oC条件下，Im@(NENU-3)的导电率高达1.82×10^-2 S cm^-1，比Im-Cu@(NENU-3a)（3.16×10^-4 S cm^-1）高出将近两个数量级，且与目前报道的最高导电率MOFs基质子导体相当。为了从分子层面解释两种材料导电性的差异，该论文测定并分析了Im-Cu@(NENU-3a)的单晶结构，发现咪唑分子在Im-Cu@(NENU-3a)中以配位键的形式固定在铜节点上，同时笼内被晶格水占据，质子传递的路径被隔断、阻塞；相反，高浓度的游离咪唑分子在Im@(NENU-3)中能够促进连续氢键网格的形成，有利于质子的有效传递。该论文为燃料电池用的高导电质子交换膜材料的设计合成提供了新思路。

此前，该团队曾提出高熔点质子载体载入、金属节点调节、柔性MOF封装、介孔金属环有机框架、调节主客体相互作用等多种方法，来获得高性能离子导体材料。相关论文发表在J. Am. Chem. Soc, 2015, 137, 913; Inorganic Chemistry, 2016, 55, 983; J. Mater. Chem. A 2016, 4, 4062; J. Mater. Chem. A 2016, 4, 18742; J. Mater. Chem. A 2017, 5, 7816。

文章链接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.7b09163

供稿：魏方芳

2017/11/9