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合成全氟共价三嗪框架的合成及其质子传导性能研究取得进展 |
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近日，西安交通大学化工学院金尚彬教授团队针对全氟化CTFs合成的难点，开发了一种以碘化铵为氮源，醛基环三聚制备CTFs的新方法，相关研究成果发表在《自然通讯》。
高温质子传导材料对于氢能的利用具有重要意义。共价三嗪框架（CTFs）具有高的化学稳定性以及大量的碱性吡啶氮，有利于负载并活化质子载体（H3PO4），已被证明是一类良好的质子传导材料，但需要更丰富的位点进一步加强材料与质子载体的相互作用，进而提高质子传导性能。氟原子作为氢键受体，可以与磷酸形成氢键，从而进一步提高质子传导率。全氟化CTFs (CTF-TF)具有最大数量的磷酸作用位点。目前，氟化CTFs已经在CO2吸附分离，电催化，电池等领域展现出巨大的优势，但是以ZnCl2为催化剂的高温离子热条件会使C-F断裂，材料的含氟量较低；在温和条件下实现高含氟量、高比表面积的全氟化CTFs仍然是一个巨大的挑战。
该方法具有良好的普适性，在温和条件下成功合成了CTF-TF，其含氟量高达30.2wt%。负载磷酸后，CTF-1在150℃时的质子传导性能为8.34?×?10–2S cm-1;在相同条件下，CTF-TF的质子传导性能可达1.82?×?10–1S cm-1，超过目前大部分COFs质子传导性能。
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该反应合成三嗪环可能的机理示意图；（b）不同结构CTFs的合成。
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（a-c）CTFs负载H3PO4后的质子传导性能测试; (d-f) CTFs与H3PO4相互作用示意图。（图片均由论文课题组提供）
作者通过实验和理论计算进一步证明了CTFs与H3PO4的结合方式，结果表明CTF-TF中含有大量的F位点可以增强材料与磷酸的相互作用，并作为氢键受体参与质子传输网络的构建，因而CTF-TF具有优异的质子传导性能。该工作有望为高性能的燃料电池提供新型的高温质子交换膜材料。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43829-4
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