【作者】 叶应祥； 项发晖； 张章静； 项生昌；

【Author】 Yingxiang Ye;Fahui Xiang;Zhangjing Zhang;Shengchang Xiang;College of Chemistry and Materials Science, Fujian Normal University;

【机构】 福建师范大学化学与材料学院；

【摘要】 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。我们选择高水热和化学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,我们测定并分析了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金属铜节点上,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。我们的研究为燃料电池用的高导电质子交换膜材料的设计与合成提供了新思路。更多还原

【Abstract】 A one-step straightforward strategy has been developed to incorporate free imidazole molecules into a highly stable metal-organic framework（NENU-3）. The resulting material Im@（NENU-3） exhibits a very high proton conductivity of 1.82×10^-2 S cm^-1 at 90% RH and 70 oC, which is significantly higher than 3.16×10-4 S cm-1 for Im-Cu@（NENU-3 a） synthesized through two-step approach with mainly terminal bound imidazole molecules inside pores. Single crystal structure reveals that imidazole molecules in Im-Cu@（NENU-3 a） isolate lattice water molecules and then block proton transport pathway, while high concentration of free imidazole molecules within Im@（NENU-3） significantly facilitate successive proton-hopping pathways through formation of hydrogen bonded networks.更多还原