Developing solid-state electrolytes with high proton conductivity for use in proton exchange membranes fuel cells remains a challenge. Metal-organic frameworks (MOFs), which display high surface areas, functional pore surface, and rich structural tunability, have received considerable attention as a new candidate for a solid-state proton conductor. The encapsulation of proton carriers into the pore spaces of MOFs is a widely used strategy to enhance their proton conductivity attributed to the formation of hydrogen-bonding networks on which the influence of the guest molecules has largely been unexplored. In this study, we synthesized imidazole molecules-loaded flexible MOFs (IM@Fe-MIL-88B) and investigated its effect on proton conduction by controlling the breathing effect, which possibly provides the formation of successive proton conduction pathway. The breathing behaviors of flexible IM@Fe-MIL-88B are tuned through varying the accommodated amount of imidazole and substituting functional groups onto MOF linkers. The delicately designed strong host-guest interaction can induce selectively imidazole-dependent structural transformation which leads to a full breathing effect on the framework, contributing to efficient proton conduction due to high concentration of proton carriers and the formation of dense and stable hydrogen bonding networks. To the best of our knowledge, IM@Fe-MIL-88B possesses the highest proton conductivity with the value of 8.93×10-2 S cm-1 at 95% RH and 60 °C among the imidazole loaded proton conducting materials. Our study provides the promise of the design of hydrogen-bonding networks for the exploration of solid-state proton conductors.
양성자 교환막 연료전지 적용을 위해서는 양성자 전도도가 높은 고체상 전해질의 개발은 필수적이다. 높은 표면적, 기능성 기공 표면, 풍부한 구조적 개질 가능성을 보이는 금속-유기 골격체는 새로운 고체상 양성자 전도체로 높은 잠재성을 보인다. 금속 유기 골격체의 기공에 수소 결합 네트워크를 형성하기 위해 양성자 캐리어를 도입하는 전략은 널리 사용되지만, 객체 분자가 수소 결합 네트워크에 미치는 영향에 대한 탐구는 부족하다. 본 연구에서는 이미다졸 분자가 로딩된 플렉시블 금속 유기 골격체를 합성하고, 성공적인 양성자 전도 경로를 형성하도록 하는 가역적 구조 변화를 조절함으로써 양성자 전도에 미치는 영향을 탐구했다. 가역적 구조 변화의 정도는 로딩된 이미다졸의 양을 조절하고 리간드에 작용기를 치환하여 조정된다. 섬세하게 설계된 강력한 호스트-객체 상호 작용은 선택적으로 이미다졸에 의한 구조 변형을 유도하여 골격체 기공의 크기를 최대로 확장하며, 이로 인한 고농도의 양성자 캐리어와 안정하고 밀집된 수소 결합 네트워크의 형성으로 효율적인 양성자 전도를 이끌어낸다. 우리가 아는 한 본 연구에서 합성된 물질은 이미다졸이 적재된 양성자 전도 물질 중 95% RH 및 60C에서 8.93×10-2 S cm-1의 값으로 가장 높은 양성자 전도도를 가진다. 우리의 연구는 고체상 양성자 전도체의 탐구를 위한 수소 네트워크 설계의 가능성을 제공한다.
