Российские химики создали полимер с высокой протонной проводимостью

Это обеспечивает возможности для создания нового класса протон-проводящих материалов, которые могут использоваться для разделения сложных смесей, хранения различных газов, в качестве сенсоров и катализаторов, химических источников тока и систем адресной доставки лекарств.

Способ получения металл-органического пористого материала на основе порфирината никеля с уникальной величиной протонной проводимости – одной из наиболее высоких для всех известных соединений этого класса – разработан учеными из Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН при участии коллег из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН и Института неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения РАН. Результаты работы опубликованы в январском номере журнала Chemistry-A European Journal.

Металл-органические координационные полимеры (МОКП) – это новый перспективный класс соединений, построенных на основе неорганических строительных блоков, состоящих из одного или нескольких ионов металлов, соединенных друг с другом при помощи органических мостиков. Эти объекты привлекают пристальное внимание исследователей благодаря практически неограниченным возможностям структурного дизайна новых соединений и широкому спектру функциональных свойств. Поиск способов направленного дизайна металл-органических каркасов c заданными свойствами является крайне важным для разработки новых материалов.

«Известно, что металл-органические координационные полимеры с высокоупорядоченной структурой обладают уникальными свойствами. Так, например, материал весом в 1 грамм может иметь площадь поверхности, равную площади футбольного поля! Благодаря этому МОКП проявляют рекордные сорбционные характеристики среди всех пористых материалов. Такие материалы могут удерживать в своих порах различные газы, использоваться в качестве эффективных катализаторов органических реакций, а также в качестве сенсоров или средств доставки лекарственных препаратов пролонгированного действия. Области их применения расширяются с каждым днем», – прокомментировала работу один из авторов статьи, главный научный сотрудник ИОНХ РАН Юлия Горбунова.

Одним из перспективных направлений является водородная энергетика, где такие материалы могут использоваться в качестве протонных проводников в топливных элементах – альтернативных источниках чистой энергии. Существует ряд материалов с высокой протонной проводимостью, например, Нафион, который уже используется в промышленных топливных элементах. Недостатком этих материалов является узкий диапазон рабочих температур, что ограничивает их применение. МОКП на основе порфиринов являются гораздо более термически и химически устойчивыми материалами. При этом, направленно меняя положение отдельных фрагментов в молекуле порфирина и природу металла в макрокольце и узлах решетки, можно регулировать структуру каркаса и размер его пор или каналов, контролируя таким образом как величину протонной проводимости получаемого материала, так и его устойчивость.

Задачей исследования стал направленный синтез соединения никеля, имеющего функциональные группы, способные как к взаимодействиям с ионами других металлов, так и к формированию межмолекулярных водородных связей. Именно эти структурные особенности органической молекулы и применение определенных условий проведения реакции привели к образованию координационного полимера, содержащего в своих каналах органические катионы, являющихся продуктом деструкции используемого в синтезе растворителя, которые также существенно влияют как на устойчивость материала, так и на значение его протонной проводимости, образуя дополнительные водородные связи со свободными функциональными группами порфирина и молекулами воды.

«Полученные выдающиеся проводящие характеристики нового металл-органического координационного полимера на основе фосфонат-замещенного порфирината никеля показывают перспективу применения данного класса соединений в качестве протонных проводников в альтернативной энергетике», – сказала Юлия Горбунова.

Таким образом, направленный дизайн молекулы позволил авторам получить металл-органический координационный полимер IPCE-2Ni, структурные характеристики которого обеспечили рекордное значение протонной проводимости для данного класса соединений.

Читать также