非环状三足受体作为超强超质子导体

质子传导三齿配体材料设计，通过氢键锚定内源结晶磷酸载体解决泄漏问题，结构差异（COOH vs NO2尾）导致电导率提升三个数量级，量子模拟显示其质子转移能垒更低且存在量子隧穿效应。

　　

图形摘要

我们设计了一类新型的质子传导三足受体，即Tripod-COOH-P和Tripod-NO₂-P，它们的尾部具有不同的功能化修饰，可作为本征结晶质子载体（H₃PO₄/H₂PO₄^?）的锚定剂。在80°C、80%相对湿度条件下，Tripod-COOH-P的质子传导率（1.5 × 10^?2 S cm^?1）比Tripod-NO₂-P（3.08 × 10^?5 S cm^?1）高出1000倍，这主要归因于它们在氢键结构上的显著差异。

摘要

具有高导电性和优异化学稳定性的固态质子导体（SSPCs）是质子交换膜燃料电池系统的关键要求。受非环状超分子化学的启发，我们首次提出了一类基于氢键的三足受体平台，即Tripod-COOH-P和Tripod-NO₂-P，它们的尾部具有不同的功能化修饰。这些受体通过多种主客体相互作用作为本征结晶质子载体（H₃PO₄和H₂PO₄^?的锚定剂，从而有效解决了外部掺杂的磷酸盐在SSPCs中导致的泄漏问题。通过“互补对接策略”对结构进行优化，并结合氢键结构（连续环与闭合环）的差异，Tripod-COOH-P的质子传导率比Tripod-NO₂-P高出三个数量级（80°C、80%相对湿度条件下分别为1.5 × 10^?2 S cm^?1和3.08 × 10^?5 S cm^?1）。量子化学模拟显示，Tripod-COOH-P中的质子传输能垒（E_PT）更低（通道a和b分别为13.7 kcal mol^?1和1.7 kcal mol^?1），并且通道b存在有利的“量子隧穿效应”，而Tripod-NO₂-P^?1。这种独特的结构工程使得Tripod-COOH-P^?2 S cm^?1）。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。