奥门银河赌城福建物构所共价有机胶质子传导研商获得进展

质子交换膜燃料电池在低温环境下工作通常会出现严重的功率损耗甚至损毁,这制约了其在寒冷高海拔地区的应用,因此开发新型低温高效质子传导材料既是严峻挑战也是迫切需求。共价有机胶(Covalent
Organic Gels,
COGs)是有机构筑基元在聚合过程中形成的一种中间聚集体,能“锁住”大量的客体分子并快速传质,这种独特的性质有利于质子载体在胶体网络中的大量聚集和快速移动。然而,COGs在质子传导领域的研究和利用目前未有报道。

我校化科院兰亚乾教授课题组在金属-有机骨架材料质子传导性能调控和促进方面的研究取得重要突破。相关成果以“Effect
of Imidazole Arrangements on Proton-Conductivity in Metal-Organic
Frameworks”为题发表在《Journal of the American Chemical
Society》上,(DOI:
10.1021/jacs.7b0155;文章链接:

信号传导在生物体系中有着非常重要的作用,其通常利用生物体内受体对外界的信号刺激做出响应,并且运用相应的生化作用对一些有用的信号进行选择性的级联放大。近年来,化学研究者对如何设计复杂的多组分体系进而模拟生物系统的多样性和功能性产生了浓厚的兴趣,一个新兴研究领域“系统化学”应运而生,而开发动态多步级联体系因信号丰富和难以控制具有很大挑战。利用金属诱导的协同偶联去质子过程或应用光酸的办法调控分子开关的切换进而实现化学级联的方法已经见诸报道,但近年来蓬勃发展的动态共价化学却鲜有被引入到信号级联体系中去。动态共价反应因其可逆性和刺激响应性,可在热力学驱动下快速高效产生结构多样性和复杂性,是研究系统化学的有效工具。

近日,中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室王瑞虎课题组和徐刚课题组合作,通过均三酰肼和对苯二甲醛的席夫碱反应制备了系列含酰腙基元的COGs,该COGs可包裹大量的H3PO4等无机酸和极性溶剂分子,其丰富的网络结构和广泛存在的氢键能够有效的“锁住”H3PO4分子。其在-40℃条件下电导率可高达3.9×10-4并且能够稳定至少250h,这是目前为止报道的电导率最高的低温质子传导材料。此外,这些材料具有优越的机械性能,可根据实际应用塑造成任意形状。

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在国家“青年千人计划”和国家自然科学基金资助下,中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室尤磊课题组首次采用动态共价化学与分子开关偶联的方法实现了信号的动态级联,并采用一系列的外界刺激对该体系进行了有效的调节。通过合理设计,发现了一个基于10-甲基吖啶盐和硫醇的新型动态共轭加成反应,所产生的产物酸性较之反应物增强了约10个数量级,并可通过调节酸碱性、改变组分、引入氧化剂等多种手段对该体系进行调控。在此基础上,成功使用该可逆共价反应所产生质子对一种构型开关和一种荧光开关实现可逆切换,深入探究了系统内化学组分以及平衡的作用机制,并引入另一个可逆共价反应实现动态级联体系的可逆抑制,从而进一步提高了系统复杂性。该工作为用于模拟生物系统的智能动态化学级联体系的发现与调控提供了一种新思路。相关研究成果发表在《美国化学会志》
(J. Am. Chem. Soc. 2015,DOI: 10.1021/jacs.5b09912)。

该研究成果为低温质子传导材料研究和寒冷高海拔地区的使用提供了新思路,近期发表在AdvancedFunctionalMaterials上。

奥门银河赌城,伴随着全球逐渐减少的不可再生能源和日益严峻的环境问题,开发高效、安全、清洁和可再生的新能源刻不容缓。作为最具前景的质子交换膜燃料电池由于其具有高能量转换效率、无污染物排放及低温快速启动等优点已成为世界各大科技企业争先开发的新一代电源。然而,由于质子交换膜和铂催化剂等关键材料高昂价格限制了其实际规模化的开发和利用,特别是质子交换膜的成本占全部燃料电池成本的三分之一以上。当前燃料电池用质子交换膜以Nafion全氟磺酸质子交换膜为主,其工作温度和湿度受严格限制、且制备困难价格昂贵,其聚合物本质限制了对其质子传导机理的研究和新的质子材料的开发设计。因此,开发具有精确结构信息的高效且低价质子传导材料成为各研发机构研究重点之一。

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