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。
兰亚乾课题组与美国Texas A&M University周宏才教授合作，针对以上科学问题，利用三核Fe簇与芳香羧酸配体溶解热反应构筑了结构新颖且具有高稳定的Fe-MOF。进而，利用其作为模型骨架，分别将功能性分子咪唑配位到Fe-MOF的金属簇取代配位水分子的位点和将咪唑装载到Fe-MOF的孔道当中，制备了咪唑有序排列的Im-Fe-MOF 和咪唑无规则分布的Im@Fe-MOF。对三个化合物质子传导性能的研究表明咪唑的配位和装载对化合物的质子传递性能提高明显。其中咪唑配位的Im-Fe-MOF在60 °C时质子传导率高达1.21 × 10–2 S cm−1，明显高于相同条件下咪唑无序分布的Im@Fe-MOF的电导率2.06 × 10–3 S cm−1和Fe-MOF的电导率 2.56 × 10–5 S cm−1。Im-Fe-MOF在该条件下的电导率已达到商用Nafion的性能，是质子传导率最好的MOFs材料之一。质子传导机理分析表明，Fe-MOF为Grotthuss机理，Im@Fe-MOF为Vehicle 机理，而Im-Fe-MOF为混合质子传导机理，规则排列的咪唑分子与吸附的水分子构成连续氢键质子传输网络，促进了质子传输能力。理论计算说明配位的咪唑分子作为质子源比配位水分子更容易给出氢质子。咪唑配位后对材料的质子传导优越性还体现在经过多次水洗后，Im-Fe-MOF的电导率基本没有变化，而Im@Fe-MOF仅经一次水洗后由于咪唑的流失功能性分子的对电导率的促进作用基本消失。该研究工作首次表明功能化分子在MOFs材料中有序排列对质子导电性能的促进要优越于无序分布，系统阐明了不同排布的咪唑分子作为促进质子传导的功能化分子的作用机制，对质子传导材料的开发具有重要的意义。
结构示意图与质子导电性能图
本论文的第一作者为化科院博士后张凤鸣，共同第一作者为化科院2013级本科生董龙章。是我校本科生首次在JACS发表论文，在全国高校也非常罕见。董龙章自从大学一年级加入兰亚乾教授课题组以来，和高年级研究生合作已经在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国际顶尖学术期刊上发表多篇研究论文。先后获得全国科技竞赛三等奖，创业计划竞赛校特等奖，国家励志奖学金等一系列奖项。并且以优异的成绩保送到我校无机化学专业攻读硕士研究生。是我校教学和科研结合培养的本科生的成功典范。
