第一作者：Feng-Fan Yang

通訊作者：梁林鋒

通訊單位：山西大學

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氫鍵有機框架（HOFs）作為一種新型多功能材料，因其易于合成、明確的單晶結構和容易再生備受關注。框架本身具有豐富的氫鍵網絡，在質子傳導方面具有潛力，但質子傳輸受到晶粒邊界的限制。

本研究通過快速熔融淬火將動力學穩定的HOF-SXU-8轉變為玻璃態HOF-g，消除晶界效應的影響。在無需濕度條件下，質子導電性顯著提高，從1.31×10^-7 S cm^-1提高到5.62×10^-2 S cm^-1（100°C）。長期穩定性測試顯示性能幾乎無退化，即使在30°C下，質子導電性仍保持在1.2×10^-2 S cm^-1的高水平。分子動力學模擬和X射線全散射實驗揭示了HOF-g系統由三種團簇組成，即1,5-萘二磺酸（1,5-NSA）陰離子團簇、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）分子團簇和H⁺-H₂O團簇。其中，H⁺在橋接這些團簇中起著重要作用，而高導電性主要與H3O+上的H+有關。這些發現為優化HOFs、實現高效質子傳導以及推進能量轉換和存儲設備的發展提供了寶貴的見解。

圖文導讀

圖1：HOF-SXU-8、HOF-SXU-9的合成以及HOF-SXU-8向HOF-g的玻璃化轉變過程的示意圖。

圖2：玻璃化轉變的特征，包括DSC掃描、PXRD、FTIR光譜、SEM圖像和光學照片。

圖3：HOF-SXU-8、HOF-SXU-9和HOF-g的質子導電性質。

圖4：HOF-g的質子導電機制。

總結展望

本研究成功制備了動力學穩定的HOF-SXU-8和熱力學穩定的HOF-SXU-9，并發現HOF-SXU-8在約110°C時通過部分DMF分子分解轉變為玻璃態HOF-g。HOF-g在無需濕度條件下表現出優越的質子傳導性能，從30°C至100°C的導電性高達5.62×10^-2 S cm^-1，并且具有良好的穩定性。

MD模擬和X射線全散射實驗表明，HOF-g系統由1,5-NSA陰離子團簇、DMF分子團簇和H⁺-H₂O團簇三種類型的團簇組成，其中H⁺在連接這些團簇和導電性中起著關鍵作用。研究認為，玻璃態HOF是一個值得深入探索的領域，有望為開發安全且高性能的純固態電解質開辟新途徑。

文獻信息

標題：Vitri?cation-enabled enhancement of proton conductivity in hydrogen-bonded organic frameworks

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-48158-8