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Synthesis and In Situ Monitoring of Mechanochemical Preparation of Highly Proton Conductive Hydrogen-Bonded Metal Phosphonates

  • Crystalline porous materials are recognized as promising proton conductors for the proton exchange membrane (PEM) in fuel cell technology owing to their tunable framework structure. However, it is still a challenging bulk synthesis for real-world applications of these materials. Herein, we report the mechanochemical gram-scale synthesis of two isostructural metal hydrogen-bonded organic frameworks (MHOFs) of Co(II) and Ni(II) based on 1-hydroxyethylidenediphosphonic acid (HEDPH4) with 2,2′-bipyridine (2,2′-bipy): Co(HEDPH3)2(2,2′-bipy)·H2O (1) and Ni(HEDPH3)2(2,2′-bipy)·H2O (2). In situ monitoring of the mechanochemical synthesis using different synchrotron-based techniques revealed a one-step mechanism – the starting materials are directly converted to the product. With the existence of extensive hydrogen bonds with amphiprotic uncoordinated phosphonate hydroxyl and oxygen atoms, both frameworks exhibited proton conduction in the range of 10–4 S cm–1 at room temperature under humidCrystalline porous materials are recognized as promising proton conductors for the proton exchange membrane (PEM) in fuel cell technology owing to their tunable framework structure. However, it is still a challenging bulk synthesis for real-world applications of these materials. Herein, we report the mechanochemical gram-scale synthesis of two isostructural metal hydrogen-bonded organic frameworks (MHOFs) of Co(II) and Ni(II) based on 1-hydroxyethylidenediphosphonic acid (HEDPH4) with 2,2′-bipyridine (2,2′-bipy): Co(HEDPH3)2(2,2′-bipy)·H2O (1) and Ni(HEDPH3)2(2,2′-bipy)·H2O (2). In situ monitoring of the mechanochemical synthesis using different synchrotron-based techniques revealed a one-step mechanism – the starting materials are directly converted to the product. With the existence of extensive hydrogen bonds with amphiprotic uncoordinated phosphonate hydroxyl and oxygen atoms, both frameworks exhibited proton conduction in the range of 10–4 S cm–1 at room temperature under humid conditions. This study demonstrates the potential of green mechanosynthesis for bulk material preparation of framework-based solid-state proton conductors.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Max Rautenberg, Irina Akhmetova, Chayanika Das, Biswajit Bhattacharya, Franziska EmmerlingORCiD
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):ACS Omega
Jahr der Erstveröffentlichung:2023
Organisationseinheit der BAM:6 Materialchemie
6 Materialchemie / 6.0 Abteilungsleitung und andere
6 Materialchemie / 6.3 Strukturanalytik
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:ACS Publications
Jahrgang/Band:8
Ausgabe/Heft:19
Erste Seite:16687
Letzte Seite:16693
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Freie Schlagwörter:Mechanochemistry; Metal Organic Frameworks; Proton conductivity
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Material
Material / Materialdesign
DOI:10.1021/acssuschemeng.2c07509
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-577777
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 4.0 International
Datum der Freischaltung:28.06.2023
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:28.06.2023
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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