導讀
近日，山西大學化學學科晶態材料研究所李娟博士的研究成果「Ultrafast and stable proton conduction in polybenzimidazole covalent organic frameworks via confinement and activation」發表在國際化學頂級期刊《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 12918-12923.）上。
質子傳導材料是燃料電池的關鍵，燃料電池以直接、綠色和高效的方式將化學能轉化為電能。無水質子傳導材料在 100 ℃ 以上的溫度下工作，可實現快速動力學並提高效率。在過去的幾十年裡，研究人員一直專注於將聚苯並咪唑（PBI），一種經典的工程塑料，與純磷酸複合來構建無水質子傳導系統。然而，傳統的無規PBI聚合物很難組織形成可以穩定H3PO4網絡的結構，並面臨與結構相關的瓶頸。例如，聚合物鏈膨脹導致磷酸的泄露問題，而緩慢的質子運動又與溶脹聚合物鏈的空間位阻有關，這些致命的問題極大地影響了它們的實際應用。
圖1. (a) PBI-COF的合成原理圖；（b）PBI-COFs的離子傳輸通道結構分析；（c）PBI-COFs的離子傳導單元的單晶結構
共價有機骨架（COFs）是近年來發展起來的新型結晶多孔聚合物，具有精準可調的孔徑、形狀以及界面結構。近日，山西大學晶態材料研究所李娟博士與新加坡國立大學江東林教授針對傳統聚苯並咪唑類中高溫質子導體所存在的問題，將苯並咪唑設計成為含有對稱二氨基的聚合單體結構，利用COFs的組裝原理構築出一種具有超高有序孔道結構的類聚苯並咪唑COFs(PBI-COFs)，負載磷酸後，在100oC以上的廣泛溫度範圍內實現超快而穩定的無水質子傳導。PBI-COFs具有優異的熱穩定性和化學穩定性，能夠將磷酸空間限制在孔隙中，在孔壁觸發磷酸網絡的多點、多鏈和多類型靜電和氫鍵相互作用下，激活了質子傳導系統的質子化以及去質子化的過程。這種策略不僅提供了在低 H3PO4含量下實現超快質子傳導的有序路徑，而且還鎖定了網絡以實現高溫下的穩定性能。聚苯並咪唑 COF 能夠結合無水質子傳導性、性能穩定性、低質子載流子含量和低熱活化能等優點於一身。
李娟博士為該論文第一作者，山西大學為第一通訊單位。該工作得到了國家自然科學基金青年項目、山西省自然科學基金以及山西省高校科研創新項目的大力資助。
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