KR20160087727A - Zirconium-based sulfonic metal-organic framework and its manufauring process - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a sulfonic acid group-induced zirconium-based metal-organic framework and a manufacturing method thereof. The sulfonic acid group-induced zirconium-based metal-organic framework is represented by chemical formula 1, [Zr_6O_4(OH)_4(C_8H_4O_10S_2)_6]m, has excellent proton conductivity, and exhibits long-term stability with respect to the proton conductivity.

Description

술폰산기를 도입한 지르코늄계 금속-유기 골격체 및 이의 제조방법{Zirconium-based sulfonic metal-organic framework and its manufauring process}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a zirconium-based sulfonic acid metal-organic skeleton and a method for producing the same,

본 발명은 우수한 양성자 전도도를 가지며 상기 양성자 전도도에 대하여 장기적 안정성을 보이는 술폰산기를 도입한 지르코늄계 금속-유기 골격체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a zirconium-based metal-organic skeleton having a sulfonic acid group having excellent proton conductivity and exhibiting long-term stability against the proton conductivity and a method for producing the same.

빠른 산업화로 인한 전 세계 에너지 수요의 증가와 동시에 탄소기반 연료의 연소로부터의 심각한 온실가스 방출에 관한 환경문제는 대체 에너지 기술의 필요성을 촉발시킨다. The environmental problems of serious greenhouse gas emissions from the burning of carbon-based fuels as well as the increasing global demand for energy due to rapid industrialization trigger the need for alternative energy technologies.

이러한 대체 에너지 기술 중에서, 연료전지는 화학적 에너지를 전기 에너지로 직접 전환시키는 전기화학적 장치이다. 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)는 교통수송 응용에 가장 유망한 시스템으로 여겨지고 있다. 연료인 수소와 산화제인 산소의 산화-환원 반응을 통해 아주 적은 환경 오염원을 방출하면서 물, 열, 전기를 생산한다. 상기 반응은 음극에서 산화된 양성자가 전해질 막을 통해 양극으로 확산하고 외부 회로를 통해 이동한 전자와 만나는 것으로 일어난다. Among these alternative energy technologies, fuel cells are electrochemical devices that convert chemical energy directly into electrical energy. Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are considered to be the most promising systems for transportation transport applications. It generates water, heat and electricity by discharging very little environmental pollutants through oxidation-reduction reaction of hydrogen which is fuel and oxygen which is oxidizing agent. This reaction occurs when an oxidized proton in the cathode diffuses through the electrolyte membrane to the anode and meets with electrons moved through an external circuit.

잘 발달된 PEMFC는 말단에 술폰산 그룹을 포함하는 과불화 고분자 막(예를 들어, 나피온)으로 구성되는데 상기 나피온은 습윤 조건하에서 0.10 S/cm만큼 높은 양성자 전도성을 보여준다. 나피온을 대체할 고분자 막으로 폴리설폰, 폴리벤즈이미다졸, 폴리이미드, 폴리아릴에테르케톤과 같은 물질들이 연구되고 있으나, 이러한 방향족 기반 고분자는 술폰산 그룹으로 기능화를 해야 효율적인 양성자 전도를 도모할 수 있다.A well-developed PEMFC consists of a perfluorinated polymer membrane (e.g., Nafion) containing a sulfonic acid group at the end, which exhibits a proton conductivity as high as 0.10 S / cm under wet conditions. Materials such as polysulfone, polybenzimidazole, polyimide, and polyaryl ether ketone have been studied as substitutes for Nafion, but these aromatic-based polymers must be functionalized as sulfonic acid groups to achieve efficient proton conduction .

금속-유기 골격체(MOF)는 대단히 큰 표면적을 갖는 다공성의 결정성 고체이다. MOF는 가스의 저장과 분리, 불균일 촉매, 발광 센서 등과 같은 다양한 분야에서 잠재적인 응용 때문에 널리 연구되고 있다. 금속-유기 골격체에서 주목할만한 특징은 구조내 세공의 균일성을 가지는 것, 그러한 세공의 크기를 조절할 수 있는 점, 그리고 세공 표면의 특성을 조절할 수 있다는 점이다. 이러한 특징들은 PEMFC의 양성자 전도성을 가지는 박막물질을 발전시키는 데에 장점이 될 수 있는데, 그것은 다수의 양성자 주게와 받게 자리가 골격체의 전도 통로 내에 배열될 수 있기 때문이다. The metal-organic skeleton (MOF) is a porous crystalline solid with a very large surface area. MOF is being studied extensively for potential applications in various fields such as gas storage and separation, heterogeneous catalysts, luminescence sensors, and the like. A notable characteristic of the metal-organic skeleton is that it can control the uniformity of pores in the structure, the ability to control the size of such pores, and the properties of the pore surface. These features can be an advantage in developing thin film materials with proton conductivity of PEMFCs because multiple proton acceptors and acceptors can be arranged in the conduction path of the skeleton.

물질의 전도성은 주로 양성자 이동성과 농도에 의해 결정되는데, 골격체 내의 양성자 수를 증가시키기 위해 MOF의 골격과 내부 공간은 두 가지의 다른 전략을 사용해서 조절될 수 있다. 첫번째 전략은 구조 내에 손님 분자(예를 들어, 트리아졸, 이미다졸, 히스타민, 암모늄 양이온, 또는 하이드로늄 이온)를 내포시키는 것이다. 구조 내에 내포된 분자는 그 분자들 사이에 수소결합을 이루거나 구조내 기존에 존재하던 물 분자와 수소결합을 형성함으로서 양성자 전도 통로를 구축한다. 또 다른 방법으로는 유기 연결자(organic linker)에 산성을 띠는 작용기를 도입하여 금속-유기 골격체를 합성하여 이용하는 것이다. 이러한 경우 양성자 전도성은 유기 연결자에 존재하는 작용기 그룹의 pKa에 의존하기 때문이다. 골격의 유기 연결자에 공유결합으로 연결된 산성 그룹으로 인해, 수화된 조건에서 골격내 공동에 내포된 산성 분자들 보다 보다 안정하게 양성자를 양성자 전도 통로로 제공할 수 있다.Conductivity of the material is mainly determined by proton mobility and concentration. To increase the number of protons in the skeleton, the skeleton and internal space of the MOF can be controlled using two different strategies. The first strategy is to incorporate guest molecules (eg, triazole, imidazole, histamine, ammonium cations, or hydronium ions) in the structure. A molecule embedded in a structure establishes a proton conduction path by forming a hydrogen bond between the molecules or forming a hydrogen bond with an existing water molecule in the structure. Another method is to synthesize a metal-organic skeleton by introducing an acidic functional group into an organic linker. In this case, the proton conductivity depends on the pKa of the functional group present in the organic linker. Due to the acidic group covalently linked to the organic linker of the skeleton, the proton can be provided more stably in the proton conduction pathway than the acidic molecules contained in the intracellular cavity in the hydrated condition.

강산(황산, 인산 또는 트리플루오로메탄술폰산)은 쉽게 양성자를 해리시켜 양성자 이온 전도성을 높인다. 산성분자는 대부분 양성자 전도를 위해 MOF의 공동에 위치하고 있으며, 최고의 양성자 전도성을 가지는 나피온이 말단기에 술폰산이 존재하는 것을 기반으로 했을 때 골격체에 그와 같은 높은 전도성을 야기할 수 있는 그룹을 포함하는 것이 바람직하다. 골격에 배위결합하고 있지 않은 술폰산 그룹의 도입은 금속 이온과 상호작용하는 경향으로 인해 양성자가 제공되고 전도하는데 방해 받기 쉽다. 후 합성 변형 방법은 다양한 응용에서 골격체의 특성을 조절하는 것에 사용될 수 있다. Strong acids (sulfuric acid, phosphoric acid or trifluoromethanesulfonic acid) easily dissociate proton to increase proton ion conductivity. Most of the acidic molecules are located in the cavity of the MOF for proton conduction, and a group that can cause such high conductivity in the skeleton based on the presence of the sulfonic acid at the terminal end of the Nafion with the highest proton conductivity . The introduction of sulfonic acid groups that are not coordinated to the skeleton tends to interact with metal ions, making them proton accessible and prone to conduction. Post-synthetic transformation methods can be used to control the properties of the skeleton in a variety of applications.

이런 의미에서, 골격에 결합된 술폰산 그룹을 만들기 위해서 양성자 전도 MOF에서 알려지지 않은 시스템이 요구되고 있다.In this sense, an unknown system for proton conduction MOF is required to make sulfonic acid groups bound to the skeleton.

대한민국 공개특허 제10-2009-008487호Korea Patent Publication No. 10-2009-008487

Korea Chem. Eng. Res., 51(4), 470-475(2013)Korea Chem. Eng. Res., 51 (4), 470-475 (2013)

본 발명의 목적은 우수한 양성자 전도도를 가지며 상기 양성자 전도도에 대하여 장기적 안정성을 보이는 술폰산기를 도입한 지르코늄계 금속-유기 골격체를 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a zirconium-based metal-organic skeleton having sulfonic acid groups which have excellent proton conductivity and exhibit long-term stability against the proton conductivity.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 술폰산기를 도입한 지르코늄계 금속-유기 골격체를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for preparing a zirconium-based metal-organic skeleton having the sulfonic acid group introduced therein.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3차원 다공성 술폰산기를 도입한 지르코늄계 금속-유기 골격체는 하기 [화학식 1]로 표시된다;The zirconium-based metal-organic skeleton incorporating the three-dimensional porous sulfonic acid group of the present invention for achieving the above object is represented by the following Chemical Formula 1;

[화학식 1][Chemical Formula 1]

[Zr6O4(OH)4(C8H4O10S2)6]m[Zr 6 O 4 (OH) 4 (C 8 H 4 O 10 S 2 ) 6 ] m

상기 금속-유기 골격체는 Zr6O4(OH)4에 1,4-디메틸-2,5-벤젠술포닉산이 결합된 3차원의 구조이며, 상기 m은 0 내지 100의 정수임.The metal-organic skeleton is a three-dimensional structure in which 1,4-dimethyl-2,5-benzenesulfonic acid is bonded to Zr 6 O 4 (OH) 4 , and m is an integer of 0 to 100.

상기 지르코늄계 금속-유기 골격체는 80 및 90% 상대습도(RH) 하에서 양성자 전도도가 1.0 X 10-2 내지 1.0 X 10-1 S/cm일 수 있다.The zirconium-based metal-organic skeleton may have a proton conductivity of 1.0 X 10 -2 to 1.0 X 10 -1 S / cm under 80 and 90% relative humidity (RH).

상기 지르코늄계 금속-유기 골격체의 BET 표면적은 30 내지 100 m2/g일 수 있다.The BET surface area of the zirconium-based metal-organic skeleton may be 30 to 100 m 2 / g.

또한, 상기한 다른 목적을 달성하기 위한 하기 [화학식 1]로 표시되는 본 발명의 술폰산기를 도입한 지르코늄계 금속-유기 골격체의 제조방법은 하기 [화학식 2]의 화합물을 산화제로 처리한 후 묽은 산용액을 첨가하여 반응함으로써 제조될 수 있다; In order to achieve the above other objects, the present invention provides a process for preparing a zirconium-based metal-organic skeleton by introducing a sulfonic acid group of the present invention represented by the following formula (1) By adding an acidic solution;

[화학식 1][Chemical Formula 1]

[Zr6O4(OH)4(C8H4O10S2)6]m[Zr 6 O 4 (OH) 4 (C 8 H 4 O 10 S 2 ) 6 ] m

[화학식 2](2)

[Zr6O4(OH)4(C8H4O4S2)6]m[Zr 6 O 4 (OH) 4 (C 8 H 4 O 4 S 2 ) 6 ] m

상기 [화학식 1]로 표시되는 금속-유기 골격체는 Zr6O4(OH)4에 1,4-디메틸-2,5-벤젠술포닉산이 결합된 3차원의 구조이며, 상기 m은 0 내지 100의 정수임.The metal-organic skeleton represented by the formula (1) is a three-dimensional structure in which 1,4-dimethyl-2,5-benzenesulfonic acid is bonded to Zr 6 O 4 (OH) 4 , Lt; / RTI >

상기 산화제는 20 내지 50%의 과산화수소용액일 수 있다.The oxidizing agent may be a 20 to 50% hydrogen peroxide solution.

상기 [화학식 2]의 화합물은 하기 [화학식 3]의 화합물, 사염화지르코늄(ZrCl4) 및 아세트산을 혼합한 후 마이크로파를 조사하여 제조될 수 있다;The compound of formula (2) may be prepared by mixing a compound of the following formula (3), zirconium tetrachloride (ZrCl 4 ) and acetic acid, followed by irradiation with microwave;

[화학식 3] (3)

C8S2O4H6 . C 8 S 2 O 4 H 6 .

상기 마이크로파의 출력은 50 내지 300 W이며, 압력은 80 내지 200 psi일 수 있다.The output of the microwave may be between 50 and 300 W and the pressure may be between 80 and 200 psi.

본 발명의 술폰산기를 도입한 3차원 다공성 지르코늄계 금속-유기 골격체는 종래의 금속-유기 골격체에 비하여 우수한 양성자 전도도를 가지며 상기 양성자 전도도에 대하여 장기적 안정성을 보인다. The 3-dimensional porous zirconium-based metal-organic skeleton having the sulfonic acid group of the present invention has a proton conductivity higher than that of the conventional metal-organic skeleton and shows a long-term stability against the proton conductivity.

또한, 끓는 물에서도 구조가 유지되므로 수소 연료 전지에 적용시킬 수 있다. In addition, since the structure is maintained even in boiling water, it can be applied to a hydrogen fuel cell.

도 1a는 시뮬레이션된 스펙트럼, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 [화학식 4] 화합물, [화학식 5] 화합물 및 비교예에 따라 제조된 [화학식 7] 화합물의 PXRD 스펙트럼이다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 [화학식 4] 화합물의 시간의 흐름에 따른 물에 대한 안정성을 나타낸 PXRD 스펙트럼이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 [화학식 5]의 화합물을 실온에서 H2O2로 (a) 처리 전, (b) 1시간, (c) 2시간, (d) 3시간, (e) 4시간, (f) 6시간, (g) 24시간, (h) 48시간 동안 처리된 PXRD 스펙트럼이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 [화학식 4] 화합물 및 [화학식 5] 화합물에 대한 S 2p의 조사 스캔(survey scan) XPS 스펙트럼이다.
도 3b는 [화학식 4] 화합물 및 [화학식 5] 화합물에 대한 S 2p의 좁은 스캔(narrow scan) XPS 스펙트럼이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 [화학식 4] 화합물, [화학식 5] 화합물 및 비교예에 따라 제조된 [화학식 7] 화합물의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 [화학식 4] 화합물, [화학식 5] 화합물 및 비교예에 따라 제조된 [화학식 7] 화합물의 TGA 데이터이다.
도 6은 물에 대한 안정성을 보여주는 [화학식 5] 화합물의 PXRD 패턴이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 [화학식 4] 화합물, [화학식 5] 화합물 및 비교예에 따라 제조된 [화학식 7] 화합물을 SEM으로 촬영한 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 [화학식 4] 화합물, [화학식 5] 화합물 및 비교예에 따라 제조된 [화학식 7] 화합물의 N2 흡착 등온선이다.
도 9a는 25 ℃에서 [화학식 7] 화합물(블랙), [화학식 5] 화합물(블루), 및 [화학식 4] 화합물(레드)의 물 흡착 및 탈착 등온선이다.
도 9b는 90% 상대습도 하에서 [화학식 4] 화합물 가열과 냉각 순환 동안의 임피던스 스펙트럼이다.
도 9c는 90% 상대습도 하에서 [화학식 4] 화합물 가열과 냉각 순환 동안의 활성화 에너지를 나타낸 그래프이다.
도 9d는 90% 상대습도 하에서 [화학식 4] 화합물 가열과 냉각 순환 동안의 로그-스케일된 수소이온 전도도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 물 분자를 흡착 후 [화학식 4] 화합물, [화학식 5] 화합물 및 비교예에 따라 제조된 [화학식 7] 화합물의 PXRD 스펙트럼이다.
도 11a는 90% 상대습도 및 25-80 ℃ 조건에서 [화학식 7] 화합물에 대한 나이퀴스트 플롯이다.
도 11b는 90% 상대습도 조건에서 [화학식 7] 화합물의 저항에 대한 벌크 전도도에 대한 아레니우스 플롯이다.
도 12a는 90% 상대습도 및 25-80 ℃ 조건에서 [화학식 5] 화합물에 대한 나이퀴스트 플롯이다.
도 12b는 90% 상대습도 조건에서 [화학식 5] 화합물의 아레니우스 플롯이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 [화학식 4] 화합물, [화학식 5] 화합물 및 비교예에 따라 제조된 [화학식 7] 화합물의 포스트-임피던스 측정을 위한 PXRD 그래프이다.
도 14는 25 ℃에서 [화학식 4] 화합물의 상대습도에 따른 수소이온 전도도를 나타낸 그래프이다.
도 15는 [화학식 4] 화합물의 포스트-임피던스 측정을 위한 PXRD 그래프이다.
FIG. 1A is a PXRD spectrum of a simulated spectrum, a compound of Formula 4, a compound of Formula 5, and a compound of Formula 7, prepared according to a comparative example, prepared according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 1B is a PXRD spectrum showing the stability to water of the compound of Formula 4 prepared according to an embodiment of the present invention over time. FIG.
(B) 1 hour, (c) 2 hours, (d) 3 hours, and (d) 3 hours at room temperature with H 2 O 2 , (e) 4 hours, (f) 6 hours, (g) 24 hours, and (h) 48 hours.
FIG. 3A is a survey scan XPS spectrum of S 2p for a compound of Formula 4 and a compound of Formula 5 prepared according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 3B is a narrow scan XPS spectrum of S 2p for the compound of Formula 4 and the compound of Formula 5. FIG.
4 is an FT-IR spectrum of the compound of Formula 4, the compound of Formula 5, and the compound of Formula 7 prepared according to the Comparative Example, which is prepared according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is TGA data of a compound of Formula 4, a compound of Formula 5, and a compound of Formula 7, prepared according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a PXRD pattern of a compound of formula 5 showing stability to water.
7 is a SEM photograph of a compound of Formula 4, a compound of Formula 5, and a compound of Formula 7 prepared according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between N 2 of the compound of Formula 4, the compound of Formula 5, and the compound of Formula 7 prepared according to the present invention, Adsorption isotherm.
Figure 9a is the water adsorption and desorption isotherms of the compound of formula 7 (black), the compound of formula 5 (blue), and the compound of formula 4 (red) at 25 ° C.
FIG. 9B is an impedance spectrum during heating and cooling circulation of the compound of Formula 4 under 90% relative humidity. FIG.
9c is a graph showing the activation energies during heating and cooling cycles of the compound of Formula 4 under 90% relative humidity.
FIG. 9d is a graph showing the log-scale hydrogen ion conductivity during heating and cooling cycles of the compound of Formula 4 under 90% relative humidity. FIG.
10 is a PXRD spectrum of a compound represented by the formula (4), a compound represented by the formula (5), and a compound represented by the formula (7) prepared according to the comparative example after adsorption of water molecules.
Figure 11a is a Nyquist plot for a compound of Formula 7 at 90% relative humidity and 25-80 占 폚.
11b is an Arrhenius plot for bulk conductivity versus resistance of a compound of Formula 7 at 90% relative humidity conditions.
Figure 12a is a Nyquist plot for a compound of Formula 5 at 90% relative humidity and 25-80 占 폚.
Figure 12b is an Arrhenius plot of the compound of Formula 5 at 90% relative humidity conditions.
13 is a PXRD graph for post-impedance measurement of a compound of Formula 4, a compound of Formula 5, and a compound of Formula 7 prepared according to an embodiment of the present invention.
14 is a graph showing the hydrogen ion conductivity according to the relative humidity of the compound of Formula 4 at 25 ° C.
15 is a PXRD graph for post-impedance measurement of the compound of Formula 4;

본 발명은 우수한 양성자 전도도를 가지며 상기 양성자 전도도에 대하여 장기적 안정성을 보이는 술폰산기를 도입한 지르코늄계 금속-유기 골격체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a zirconium-based metal-organic skeleton having a sulfonic acid group having excellent proton conductivity and exhibiting long-term stability against the proton conductivity and a method for producing the same.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 3차원 다공성 술폰산기를 도입한 지르코늄계 금속-유기 골격체는 하기 [화학식 1]로 표시되며, 술폰산기가 도입되어 보다 우수한 양성자 전도도를 가지며 상기 양성자 전도도에 대하여 장기적 안정성을 보인다. The zirconium-based metal-organic skeleton incorporating the three-dimensional porous sulfonic acid group of the present invention is represented by the following formula (1), and has a proton conductivity higher than that of the sulfonic acid group introduced therein and exhibits long-term stability against the proton conductivity.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

[Zr6O4(OH)4(C8H4O10S2)6]m[Zr 6 O 4 (OH) 4 (C 8 H 4 O 10 S 2 ) 6 ] m

상기 금속-유기 골격체는 6개의 지르코늄 금속 각각에 8개의 산소원자가 배위하고 있는 구조로서, 4개의 산소 원자는 카르복시 리간드로부터 제공된 것이고, 나머지는 다리 걸침하고 있는 산소 원자와 하이드록시 분자의 산소로부터 제공된 것이다. 이러한 단위 구조가 확장되어 8면체와 4면체의 두 가지 형태의 케이지(cage)를 형성하고 이 케이지(cage)들이 서로 연결되면서 3차원의 구조를 형성하게 된다. 상기 m은 0 내지 100의 정수이다.The metal-organic skeleton has a structure in which eight oxygen atoms are coordinated to each of six zirconium metal atoms, four oxygen atoms are provided from a carboxy ligand, and the remainder are oxygen atoms provided from bridging oxygen atoms and oxygen of a hydroxy molecule will be. This unit structure is expanded to form two types of cages, octahedron and tetrahedron, and these cages are connected to each other to form a three-dimensional structure. And m is an integer of 0 to 100.

구체적으로, 상기 [화학식 1]의 화합물은 UiO-66(University of Oslo)타입으로서, Zr6O4(OH)4에 1,4-디메틸-2,5-벤젠술포닉산이 결합된 구조이다.Specifically, the compound of Formula 1 is UiO-66 (University of Oslo) type, and 1,4-dimethyl-2,5-benzenesulfonic acid is bonded to Zr 6 O 4 (OH) 4 .

상기 UiO-66 구조는 지르코늄을 중심 금속으로 하여 유기 리간드가 결합됨으로써 내부의 빈 공간을 가진 3차원 구조를 형성하는 물질이다.The UiO-66 structure is a material that forms a three-dimensional structure having zirconium as a central metal and having an internal void space by binding an organic ligand.

상기 [화학식 1]의 화합물은 80 및 90% 상대습도 하에서 양성자 전도도가 1.0 X 10-2 내지 1.0 X 10-1 S/cm, 바람직하게는 5.0 X 10-2 내지 9.0 X 10-2 S/cm이며; BET 표면적은 30 내지 100 m2/g, 바람직하게는 30 내지 40 m2/g이다. The compound of Formula 1 has a proton conductivity of 1.0 X 10 -2 to 1.0 X 10 -1 S / cm, preferably 5.0 X 10 -2 to 9.0 X 10 -2 S / cm, at 80 and 90% relative humidity ; The BET surface area is 30 to 100 m 2 / g, preferably 30 to 40 m 2 / g.

상기 [화학식 1]의 화합물을 모델링한 크리스탈 구조로 살펴보면 하기와 같다.The crystal structure of the compound of Formula 1 is as follows.

[모델링][modelling]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 크리스탈 구조에서 지르코늄은 여러 개의 변으로된 초록색이고, 산소는 빨간색 점이며, 탄소는 선으로 표시되었다.
In the crystal structure, zirconium is green with several sides, oxygen is a red dot, and carbon is represented by a line.

또한, 상기 [화학식 1]의 화합물은 하기 [반응식 1]의 합성과정에 따라 합성된다.Further, the compound of the formula (1) is synthesized according to the synthesis process of the following Reaction Scheme 1.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

C8S2O4H6 -> [Zr6O4(OH)4(C8H4O4S2)6]m -> [Zr6O4(OH)4(C8H4O10S2)6]m C 8 S 2 O 4 H 6 -> [Zr 6 O 4 (OH) 4 (C 8 H 4 O 4 S 2) 6] m -> [Zr 6 O 4 (OH) 4 (C 8 H 4 O 10 S 2 ) 6 ] m

[화학식 3] [화학식 2] [화학식 1][Chemical Formula 3] < EMI ID =

구체적으로 상기 [화학식 1] 내지 [화학식 3]은 하기와 같이 각각 [화학식 4] 내지 [화학식 6]으로 표현될 수 있다. 예컨대, 지르코늄 금속과 산소원자 8개가 결합한 것이며, m1 내지 m4는 동일하거나 서로 상이한 0 내지 100의 정수이다.Specifically, the above-mentioned formulas (1) to (3) can be represented by the following formulas (4) to (6), respectively. For example, a zirconium metal is bonded to eight oxygen atoms, and m 1 to m 4 are the same or different from 0 to 100.

Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004

[화학식 4] [화학식 5] [화학식 6][Chemical Formula 4] < EMI ID =

상기 [화학식 1]의 화합물은 [화학식 3]의 화합물에 DMF용매 하에서 사염화지르코늄(ZrCl4) 및 반응 조절자로 아세트산을 첨가하여 1 내지 3시간 동안 교반한 후 마이크로파를 조사함으로써 상기 [화학식 3]의 화합물의 카르복실기가 탈수소화되면서 금속이온인 지르코늄과 결합하여 싸이올(-SH) 작용기로 기능화된 [화학식 2]의 화합물을 제조한다. (ZrCl 4 ) and acetic acid as a reaction modifier are added to a compound of the formula (1) in a DMF solvent, and the mixture is stirred for 1 to 3 hours and then irradiated with a microwave to obtain a compound of the formula The carboxyl group of the compound is dehydrogenated and a compound of formula (2), which is functionalized with a thiol (-SH) functional group, is combined with zirconium which is a metal ion.

이후 상기 [화학식 2] 화합물의 싸이올(-SH) 작용기를 술폰산(-SO3H) 작용기로 산화시키기 위하여 상기 [화학식 2]의 화합물을 산화제로 처리한 후 묽은 산용액을 첨가하여 10 내지 50분 동안 반응시킴으로써 제조된다. 상기 산화제로는 과산화수소 또는 질산을 들 수 있으며, 상기 묽은 산용액으로는 황산 또는 염산을 들 수 있다. (2) is treated with an oxidizing agent to oxidize the thiol (-SH) functional group of the compound of formula (2) to a sulfonic acid (-SO 3 H) functional group, and then a dilute acid solution is added thereto, Min. ≪ / RTI > Examples of the oxidizing agent include hydrogen peroxide or nitric acid, and the dilute acid solution includes sulfuric acid or hydrochloric acid.

상기 [화학식 2]의 화합물을 제조시 이용되는 마이크로파의 출력은 50 내지 300 W, 바람직하게는 100 내지 150 W이다. 마이크로파의 출력이 상기 하한치 미만인 경우에는 UiO-66 타입의 구조를 형성할 수 없으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 부반응이 많이 발생할 수 있다. The output of the microwave used in the preparation of the compound of Formula 2 is 50 to 300 W, preferably 100 to 150 W. When the output of the microwave is less than the lower limit value, a UiO-66 type structure can not be formed, and when the output is higher than the upper limit value, side reactions may occur.

또한, 마이크로파의 압력은 80 내지 200 psi, 바람직하게는 100 내지 150 psi이다. 마이크로파의 압력이 상기 하한치 미만인 경우에는 다른 구조의 골격체가 형성될 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 부반응이 많이 발생할 수 있다. Also, the microwave pressure is 80 to 200 psi, preferably 100 to 150 psi. When the pressure of the microwave is less than the lower limit value, skeletons having different structures may be formed, and in the case of exceeding the upper limit value, side reactions may occur.

본 발명에서 [화학식 2]의 화합물을 제조 시 마이크로파 합성법이 아닌 기계화학 합성법, 초음파합성법을 사용하는 경우에는 UiO-66 타입의 구조가 형성되지 않을 수 있다.In the present invention, the UiO-66 type structure may not be formed when a chemical mechanical synthesis method or an ultrasonic synthesis method other than the microwave synthesis method is used in the production of the compound of formula (2).

또한, 상기 [화학식 1]의 화합물을 제조 시 사용되는 산화제는 20 내지 50%, 바람직하게는 30 내지 40%의 농도로 묽힌 산화제 용액이다. 산화제의 농도가 상기 하한치 미만인 경우에는 산화반응이 완전히 수행되지 않아 싸이올을 술폰산 음이온으로 변화시키는데 더 오랜 시간이 걸릴 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 [화학식 1]의 화합물 구조 자체가 변형될 수 있다.The oxidizing agent used in the preparation of the compound of formula (1) is a dilute oxidizing agent solution at a concentration of 20 to 50%, preferably 30 to 40%. When the concentration of the oxidizing agent is less than the lower limit, the oxidation reaction is not completely performed and it may take a longer time to convert the thiol into the sulfonic acid anion. If the concentration exceeds the upper limit, the compound structure of the formula have.

또한, 상기 묽은 산용액은 0.01 내지 0.09 M, 바람직하게는 0.02 내지 0.04 M 농도의 산용액이다. 황산용액의 농도가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 충분히 산성화시키지 못하거나 구조의 안정성을 감소시킨다.Further, the dilute acid solution is an acid solution having a concentration of 0.01 to 0.09 M, preferably 0.02 to 0.04 M. When the concentration of the sulfuric acid solution is out of the above range, it is not sufficiently acidified or the stability of the structure is reduced.

이러한 화합물의 구조는 PXRD, XPS, FT-IR 등을 통하여 확인할 수 있다.
The structure of these compounds can be confirmed by PXRD, XPS, FT-IR and the like.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention. Such variations and modifications are intended to be within the scope of the appended claims.

<실시예><Examples>

합성예 1. [화학식 4]로 표시되는 화합물Synthesis Example 1. Synthesis of Compound (4)

1-1. [화학식 3]으로 표시되는 화합물의 합성1-1. Synthesis of Compound Represented by Formula 3

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Figure pat00005
Figure pat00005

[화학식 3] (3)

2,5-디하이드록시 테레프탈산 디에틸에스터 (10 g, 39.00 mmol)와 DABCO (18 g, 157 mmol)를 질소 분위기 하에서 DMA (100 mL)에 완전히 녹인 후, ice bath로 반응 온도를 0 ℃로 냉각시킨다. 여기에 50 mL의 DMA에 녹인 디메틸티오카바모일 클로라이드 (19 g, 157 mmol)를 한 방울씩 첨가한다. 혼합물을 상온에서 16시간 동안 교반하여 얻어진 흰색 침전물을 여과한 후 다량의 물로 씻어 준 뒤, 진공 하에서 건조시켜 2,5-비스(디메틸티오카바모일옥시)테레프탈산 디에틸 에스터를 합성해 낸다. 합성된 2,5-비스(디메틸티오카바모일옥시)테레프탈산 디에틸 에스터는 질소 분위기에서 1시간 동안 220 ~ 230 ℃ 온도 범위로 가열하여 생성된 갈색 빛의 화합물을 70 ℃까지 냉각시키고 에탄올을 첨가한다. 실온까지 냉각되면서 얻어지는 옅은 갈색의 결정을 여과하여 2,5-비스(디메틸티오카바모일술파닐)테레프탈산 디에틸 에스터를 얻어낸다. 상기 2,5-비스(디메틸티오카바모일술파닐)테레프탈산 디에틸 에스터 화합물(1.3 g, 3.03 mmol)을 에탄올과 물의 1:1 부피 비율로 혼합한 용액으로 만든 1.3 M의 KOH 용액에 넣고 질소 분위기에서 3시간 동안 환류시킨 후 생성된 반응물을 ice bath로 냉각시키고 여기에 HCl 용액(15 mL)을 첨가하여 노란색의 [화학식 3] 화합물을 수득하였다.
Dihydroxyterephthalic acid diethyl ester (10 g, 39.00 mmol) and DABCO (18 g, 157 mmol) were completely dissolved in DMA (100 mL) under a nitrogen atmosphere, And cooled. To this is added dimethylthiocarbamoyl chloride (19 g, 157 mmol) dissolved in 50 mL of DMA dropwise. The mixture was stirred at room temperature for 16 hours, and the resulting white precipitate was filtered, washed with a large amount of water, and dried under vacuum to synthesize 2,5-bis (dimethylthiocarbamoyloxy) terephthalic acid diethyl ester. The synthesized 2,5-bis (dimethylthiocarbamoyloxy) terephthalic acid diethyl ester was heated in a temperature range of 220 to 230 ° C for 1 hour in a nitrogen atmosphere, and the resulting brownish compound was cooled to 70 ° C and ethanol was added . The pale brown crystals obtained by cooling to room temperature are filtered to obtain 2,5-bis (dimethylthiocarbamoylsulfanyl) terephthalic acid diethyl ester. The above-mentioned 2,5-bis (dimethylthiocarbamoylsulfanyl) terephthalic acid diethyl ester compound (1.3 g, 3.03 mmol) was placed in a 1.3 M KOH solution prepared by mixing 1: 1 volume ratio of ethanol and water, And the resulting reaction was cooled in an ice bath. To this was added HCl solution (15 mL) to obtain a yellow compound of formula (III).

1-2. [화학식 2]로 표시되는 화합물의 합성1-2. Synthesis of Compound Represented by Formula 2

[반응식 3][Reaction Scheme 3]

Figure pat00006
Figure pat00006

[화학식 6] [화학식 5][Chemical Formula 6]

DMF(8 mL)에 용해된 [화학식 6]의 화합물(96 mg, 0.41 mmol)용액에 DMF(8 mL)에 용해된 ZrCl4(95 mg,0.41 mmol) 및 아세트산(5.5 mL, 95.7 mmol)의 혼합용액을 첨가하여 2시간 동안 교반하였다. 상기 희미한 투명 노란색 용액(2 mL)을 10 mL 파이렉스 셀에 옮기고, 폴리테트라플루로에틸렌(PTFE)으로 밀봉하였다. 상기 혼합물을 120 ℃에서 40분 동안 마이크로파 조사기(CEM Discover, 100 W, 140 psi)로 조사하였다. 생성된 고체를 원심분리기로 수집하고 DMF 및 디클로로메탄으로 세척하여 수득된 담황색 침전물을 공기중에 건조시켜 [화학식 5]의 화합물(수율: 72%)을 수득하였다. To a solution of the compound of formula 6 (96 mg, 0.41 mmol) in DMF (8 mL) was added ZrCl 4 (95 mg, 0.41 mmol) and acetic acid (5.5 mL, 95.7 mmol) dissolved in DMF And the mixture was stirred for 2 hours. The pale clear yellow solution (2 mL) was transferred to a 10 mL Pyrex cell and sealed with polytetrafluoroethylene (PTFE). The mixture was irradiated with a microwave irradiator (CEM Discover, 100 W, 140 psi) at 120 ° C for 40 minutes. The resulting solid was collected by a centrifuge, washed with DMF and dichloromethane, and the resulting pale yellow precipitate was dried in air to obtain the compound of Formula 5 (yield: 72%).

화학원소분석(%) calcd for [Zr6O4(OH)4(C8H4O4S2)6]1.4(DMF)22(H2O): N 0.77, C 24.61, H 3.24, S 15.10; found: N 0.46, C 24.35, H 2.84, S 15.44.
Chemical elemental analysis (%) calcd for [Zr 6 O 4 (OH) 4 (C 8 H 4 O 4 S 2 ) 6 ] 1.4 (DMF) 22 (H 2 O): N 0.77, C 24.61, H 3.24, S 15.10; Found: N 0.46, C 24.35, H 2.84, S 15.44.

1-2. [화학식 1]로 표시되는 화합물의 합성1-2. Synthesis of Compound Represented by Formula 1

[반응식 4][Reaction Scheme 4]

Figure pat00007
Figure pat00007

[화학식 5] [화학식 4][Chemical Formula 5]

[화학식 5]의 화합물(0.2 g)을 30% H2O2 용액(20 mL)으로 산화반응시켰다. 고체 현탁액을 실온에서 1시간 동안 교반하여 원심분리로 회수한 후 고체가 술포네이트기로 완전히 산성화되도록 30분 동안 0.02M H2SO4 용액(20 mL)으로 현탁시켰다. 생성된 고체를 원심분리로 수집하고 물로 여러번 세척한 후 수득된 담황색 침전물을 공기중에 건조시켜 [화학식 4]의 화합물(수율: 90%)을 수득하였다. The compound of Formula 5 (0.2 g) was dissolved in 30% H 2 O 2 (20 mL). The solid suspension was stirred at room temperature for 1 hour, and was recovered by centrifugation and suspended in 0.02 MH 2 SO 4 solution (20 mL) for 30 minutes so that the solid was completely acidified with the sulfonate group. The resulting solid was collected by centrifugation and washed several times with water, and the resulting pale yellow precipitate was dried in air to obtain the compound of Formula 4 (yield: 90%).

화학원소분석(%) calcd for [Zr6O4(OH)4(C8H4O10S2)6]30(H2O) : C 18.21, H 2.80, S 12.16; found: C 18.33, H 2.90, S 12.13.
Chemical elemental analysis (%) calcd for [Zr 6 O 4 (OH) 4 (C 8 H 4 O 10 S 2 ) 6 ] 30 (H 2 O) : C 18.21, H 2.80, S 12.16; found: C 18.33, H 2.90, S 12.13.

<< 비교예Comparative Example >>

합성예Synthetic example 2. [화학식 7]로 표시되는 화합물 2. A compound represented by the formula (7)

2-1. [화학식 7]로 표시되는 화합물의 합성2-1. Synthesis of Compound Represented by Formula 7

[반응식 5][Reaction Scheme 5]

Figure pat00008
Figure pat00008

[화학식 7]                              (7)

0.4 g (21.8 mmol)의 물(H2O)에 녹인 지르코늄 클로라이드(ZrCl4) (1.70 mg, 7.27 mmol) 수용액을 375 mL의 DMF에 녹인 테레프탈산 (1.21 g, 7.27 mmol) 용액에 첨가한다. 맑은 혼합 용액을 500 mL의 용기에 옮겨 담고, 120 ℃로 예열된 오븐에서 24시간 동안 반응시킨다. 얻어진 흰색의 화합물을 여과하여 다량의 DMF로 세척하여 [화학식 7]의 화합물을 수득하였다.
An aqueous solution of zirconium chloride (ZrCl 4 ) (1.70 mg, 7.27 mmol) dissolved in 0.4 g (21.8 mmol) of water (H 2 O) is added to a solution of terephthalic acid (1.21 g, 7.27 mmol) in 375 mL of DMF. The clear mixed solution is transferred into a 500 mL vessel and reacted in an oven preheated to 120 ° C for 24 hours. The obtained white compound was filtered and washed with a large amount of DMF to obtain a compound represented by the formula (7).

<< 시험예Test Example >>

수분과 화학물질에 대한 안정성이 우수하다고 알려진 UiO-66 타입 골격체에 술폰산 작용기를 도입하여 [화학식 4]의 화합물을 합성하였다. 상기 [화학식 4]의 화합물은 싸이올 작용기로 기능화된 [화학식 5]의 화합물에서 싸이올 그룹을 인시츄(in situ) 산화반응시킴으로서 얻어진다. 공유결합으로 골격체에 술폰산이 존재하는 이 화합물은 100 ℃ 근처의 끓는 물 조건하에서 안정하며, 양성자 전도도는 80 ℃, 90 % 상대습도 조건에서 8.4 x 10-2 S/cm의 값을 보인다. 상기 양성자 전도도 수치는 골격체에 작용기로 기능화되지 않은 [화학식 7]의 화합물이 가지는 값보다 훨씬 더 높은 값을 나타내었으며 또한 양성자 전도도에 대한 장기적 안정성을 보이기도 했다. 특히, 상기 양성자 전도도 수치는 현재까지 알려진 금속-유기 골격체 기반의 양성자 전도 물질이 가지는 값의 기록을 능가하고, 나피온이 가지는 값과 견줄만 하다.A sulfonic acid functional group was introduced into a UiO-66 type skeleton known to have excellent water and chemical stability to synthesize a compound of formula (4). The compound of formula (4) is obtained by in situ oxidation of a thiol group in a compound of formula (5) functionalized with a thiol functional group. This compound, in which sulfonic acid is present in the skeleton as a covalent bond, is stable under boiling water conditions near 100 ° C. and proton conductivity is 8.4 × 10 -2 S / cm at 80 ° C. and 90% relative humidity. The proton conductivity values were much higher than those of the compound of formula (7) which was not functionalized with the skeleton and showed long-term stability against proton conductivity. In particular, the proton conductivity values surpass the record of the values of the metal-organic skeleton-based proton conducting materials known to date and are comparable to those of Nafion.

시험예Test Example 1.  One. PXRDPXRD 측정 Measure

도 1a는 시뮬레이션된 스펙트럼, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 [화학식 4] 화합물, [화학식 5] 화합물 및 비교예에 따라 제조된 [화학식 7] 화합물의 PXRD 스펙트럼이며, 도 1b는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 [화학식 4] 화합물의 시간의 흐름에 따른 물에 대한 안정성을 나타낸 PXRD 스펙트럼이다.FIG. 1A is a PXRD spectrum of a simulated spectrum, a compound of Formula 4, a compound of Formula 5, and a compound of Formula 7 prepared according to an embodiment of the present invention, and FIG. The PXRD spectrum showing the stability to water according to the time of the compound of Formula 4 prepared according to the embodiment.

또한, 도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 [화학식 5]의 화합물을 실온에서 H2O2로 (a) 처리 전, 처리 (b) 1시간, (c) 2시간, (d) 3시간, (e) 4시간, (f) 6시간, (g) 24시간, (h) 48시간 동안 처리된 PXRD 스펙트럼이다.In addition, Figure 2 is a [Formula 5] the compound at room temperature with H 2 O 2 (a) before treatment made in accordance with an embodiment of the invention, the process (b) 1 sigan, (c) 2 sigan, (d) 3 hours, (e) 4 hours, (f) 6 hours, (g) 24 hours, (h) 48 hours.

도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 [화학식 4] 화합물, [화학식 5] 화합물 및 [화학식 7] 화합물 모두 구조적으로 일치되는 것을 확인하였으며(도 1a), 골격체내에 -SH 그룹을 -SO3H로 산화시키기 위해서는 싸이올(-SH)로 기능화된 물질은 과산화수소(H2O2)용액에서 안정해야 하므로 [화학식 5] 화합물을 상온에서 30% 과산화수소(H2O2)용액에 담그고 시간을 달리하여 [화학식 5] 화합물의 산화제에 대한 안정성을 조사하였다. 상기 [화학식 5] 화합물은 48시간 동안 구조를 유지하였으며(도 2), 안정성 테스트와 다른 서포팅 자료에 근거해서 (vide infra) [화학식 5] 화합물에 싸이올 그룹이 모두 산화될 수 있는 시간인 1시간동안 H2O2를 처리했다. As shown in FIG. 1 and FIG. 2, it was confirmed that the compounds of formula 4, the compound of formula 5 and the compound of formula 7 were structurally matched (FIG. 1A) in order to oxidize a 3 H-functionalized material with a thiol (-SH) is soaked in hydrogen peroxide (H 2 O 2) it must be stable in solution [formula 5] 30% hydrogen peroxide at room temperature, the compound (H 2 O 2) solution time To investigate the stability of the compound of the formula (5) to the oxidizing agent. The compound of formula (5) retained its structure for 48 hours (FIG. 2), and based on the stability test and other supporting data ( vide infra ), the time for which the thiol group H 2 O 2 for a period of time.

술폰산 음이온 그룹을 양성자화하여 술폰산으로 만들기 위해서 0.02 M 황산(H2SO4)용액에 30분 동안 처리하였고, 이에 따라 [화학식 4]의 화합물이 되었다. [화학식 4] 화합물의 PXRD 패턴을 통해 [화학식 7] 화합물과 같은 상을 가짐을 확인하였다(도 1a). The sulfonic anion group was treated with 0.02 M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) solution for 30 minutes in order to protonate the sulfonic acid anion group into sulfonic acid. The PXRD pattern of the compound showed that the compound had the same structure as the compound of Formula 7 (FIG. 1A).

또한, 물에 30일 동안 침지하여도 상 변화가 나타나지 않아 물에 대하여 안정성이 우수한 것을 확인하였다(도 1b).
In addition, it was confirmed that no phase change was observed even when immersed in water for 30 days, and thus the stability to water was excellent (Fig. 1B).

시험예Test Example 2. 구조 분석 2. Structural Analysis

도 3a는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 [화학식 4] 화합물 및 [화학식 5] 화합물에 대한 S 2p의 조사 스캔(survey scan) XPS 스펙트럼이고, 도 3b는 [화학식 4] 화합물 및 [화학식 5] 화합물에 대한 S 2p의 좁은 스캔(narrow scan) XPS 스펙트럼이다. FIG. 3A is a survey scan XPS spectrum of S 2p for a compound of Formula 4 and a compound of Formula 5 prepared according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a survey scan XPS spectrum of a compound of Formula 4 and a compound of Formula 5 ] &Lt; / RTI &gt; compound.

또한, 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 [화학식 4] 화합물, [화학식 5] 화합물 및 비교예에 따라 제조된 [화학식 7] 화합물의 FT-IR 스펙트럼이다.4 is an FT-IR spectrum of the compound of Formula 4, the compound of Formula 5, and the compound of Formula 7 prepared in accordance with the present invention.

또한, 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 [화학식 4] 화합물, [화학식 5] 화합물 및 비교예에 따라 제조된 [화학식 7] 화합물의 TGA 데이터이다.5 is TGA data of the compound of the formula (4), the compound of the formula (5) and the compound of the formula (7) prepared according to the comparative example prepared according to the embodiment of the present invention.

또한, 도 6은 물에 대한 안정성을 보여주는 [화학식 5] 화합물의 PXRD 패턴이다. Also, Figure 6 is a PXRD pattern of a compound of formula 5 showing stability to water.

또한, 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 [화학식 4] 화합물, [화학식 5] 화합물 및 비교예에 따라 제조된 [화학식 7] 화합물을 SEM으로 촬영한 사진이다.7 is a SEM photograph of a compound of Formula 4, a compound of Formula 5, and a compound of Formula 7 prepared according to an embodiment of the present invention.

도 3 내지 6에 도시된 바와 같이, [화학식 4] 화합물, [화학식 5] 화합물의 각각에 포함된 황(sulfur)의 산화 상태는 x-선 광전자 분광법(XPS)로부터 평가될 수 있는데 이것은 싸이올 작용기가 산화되어 술폰산기로 변화했을 때 -SO3H에서 나타나는 S 2p2 /3의 결합 에너지가 -SH의 S의 결합 에너지보다 청색 이동됨으로서 확인할 수 있기 때문이다. [화학식 5] 화합물(163.4eV)에서 S 2p2 / 3결합 에너지는 [화학식 4] 화합물(167.8eV)보다 낮고, 이는 황의 산화를 나타낸다(도 3b). As shown in FIGS. 3 to 6, the oxidation state of sulfur contained in each of the [Formula 4] and [Formula 5] compounds can be evaluated from x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) This is because the functional group when the acid group is oxidized to change the combination of S 2p 2/3 the energy that appears in the -SO 3 H can check by being blue shift than the binding energy of the S -SH. [Chemical Formula 5] S 2p 2/3 binding energy in the compound (163.4eV) is lower than [Chemical Formula 4] compound (167.8eV), which describes the oxidation of sulfur (FIG. 3b).

뿐만 아니라, -SH와 -SO3H 작용기의 존재를 확인하기 위해서 [화학식 4] 화합물, [화학식 5] 화합물 및 [화학식 7] 화합물의 적외선(IR) 스펙트럼들을 얻었다(도 4). 상기 [화학식 5] 화합물의 IR 스펙트럼에서 2570 cm-1에서 피크를 나타내고 이는 자유롭게 존재하는 싸이올 그룹의 신축 주파수와 일치하고 [화학식 7] 화합물의 스펙트럼에서 보이지 않는다. 이와 비교해서, [화학식 4] 화합물의 IR 스펙트럼에서 싸이올 피크는 완벽히 사라졌고, 1238 cm-1, 1183 cm-1 밴드가 나타났다. 상기 밴드는 S=O의 대칭 비대칭 신축 주파수이다. 661 cm-1에서의 추가적인 피크는 S-O 신축 진동을 나타내며, 이러한 [화학식 4] 화합물의 IR 스펙트럼에서 새롭게 관찰된 피크는 -SO3H그룹의 존재를 의미하고, 추가적으로 원소 분석을 통해도 확인을 했다. 그러므로 [화학식 5] 화합물의 싸이올 그룹은 H2O2 산화 과정과 연속적인 산 처리를 통해 완벽히 설폰산 그룹으로 전환되었다. Infrared (IR) spectra of the compound of formula (4), the compound of formula (5) and the compound of formula (7) were obtained to confirm the presence of -SH and -SO 3 H functional groups (FIG. In the IR spectrum of the compound of Formula 5, it shows a peak at 2570 cm -1 , which is consistent with the stretching frequency of the freely present thiol group and is absent from the spectrum of the compound of Formula 7. By comparison, in the IR spectrum of the compound of Formula 4, the thiol peak completely disappeared and the band of 1238 cm -1 and 1183 cm -1 appeared. The band is a symmetric asymmetric stretching frequency of S = O. An additional peak at 661 cm -1 represents the SO stretching vibration and the newly observed peak in the IR spectrum of this compound means the presence of the -SO 3 H group and was further confirmed by elemental analysis . Therefore, the thiol group of the compound of formula (5) is H 2 O 2 It was completely converted to sulfonic acid group through oxidation and continuous acid treatment.

또한, [화학식 7] 화합물의 열중량(TG) 분석은 표면에 존재하는 용매 분자 제거로 인해 초기 무게 감소가 150 ℃까지 일어나고 골격체 분해는 500 ℃에서 시작되는 것을 보여준다(도 5). [화학식 5] 화합물에서 무게감소는 30-320 ℃의 온도 범위에서 1.4개의 DMF분자와 22개의 H2O분자를 의미하고, [화학식 4] 화합물에서 물 분자(30 H2O)의 제거가 30-200 ℃에서 일어난다. 기능화된 구조는 열적으로 400 ℃까지 안정하다. The thermogravimetric (TG) analysis of the compound of Formula 7 also shows that initial weight loss occurs up to 150 ° C and skeletal degradation begins at 500 ° C due to removal of solvent molecules present on the surface. The weight reduction in the compound means 1.4 DMF molecules and 22 H 2 O molecules in the temperature range of 30-320 ° C. and the removal of water molecules (30 H 2 O) from the compound is 30 -200 &lt; 0 &gt; C. The functionalized structure is thermally stable up to 400 占 폚.

물을 매개로 하는 양성자 전도체로서의 MOF는 물에 대한 안정성을 지녀야 하므로 [화학식 4] 화합물과 [화학식 5] 화합물 각각에 대한 물 안정성을 조사하기 위해, 100 ℃ 물에 담그고 약 30일 동안 끓이며 구조적 변화를 관찰하고자 하였다(도 1b 및 도 6). 상기의 거친 조건에서도 [화학식 4] 화합물과 [화학식 5] 화합물들은 30일 넘게 구조적 완결성을 유지함을 보였고 이는 물에 대한 뛰어난 안정성을 보여준다. MOF as a water-mediated proton conductor must have stability to water. Therefore, in order to examine the water stability of each of the compound of formula 4 and the compound of formula 5, it is immersed in water at 100 ° C, boiled for about 30 days, (Fig. 1B and Fig. 6). Even under these harsh conditions, the compounds of formula (IV) and compounds of formula (V) showed structural integrity for over 30 days, indicating excellent stability to water.

또한, 주사 전자 현미경(SEM)을 통해, [화학식 7] 화합물의 입자 크기와 형태는 [화학식 4] 화합물과 [화학식 5] 화합물이 다른 것을 확인할 수 있는데, 이는 합성 방법이 다르기 때문이다.
In addition, through the scanning electron microscope (SEM), the particle size and shape of the compound of formula (7) can be confirmed to differ from the compound of formula (4) and the compound of formula (5) because the synthesis method is different.

시험예Test Example 3. 질소 기체 흡착 3. Nitrogen gas adsorption

도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 [화학식 4] 화합물, [화학식 5] 화합물 및 비교예에 따라 제조된 [화학식 7] 화합물의 N2 흡착 등온선이다.FIG. 8 is a graph showing the relationship between N 2 of the compound of Formula 4, the compound of Formula 5, and the compound of Formula 7 prepared according to the present invention, Adsorption isotherm.

도 8에 나타낸 바와 같이, 물질들의 영구적 다공성은 77K의 온도에서 측정한 N2기체 흡착을 통하여 알 수 있는데, 기체 흡착 실험 전에 [화학식 7] 화합물을 메탄올에 3일 동안 담궈 두어, 골격체 공동에 존재하는 용매를 메탄올로 교환하는 작업을 거친 후에 250 ℃, 진공 조건 하에서 2시간 동안 처리해 준다. [화학식 4] 화합물과 [화학식 5] 화합물의 용매-교환 과정은 아세톤에 3일 동안 담아두며 이후 각각 150 ℃, 120 ℃ 조건에서 처리해 준다. As shown in FIG. 8, the permanent porosity of the materials can be determined by N 2 gas adsorption measured at a temperature of 77 K. Prior to the gas adsorption experiment, the compound of formula 7 was immersed in methanol for 3 days, After the solvent is exchanged with methanol, it is treated at 250 ° C under vacuum for 2 hours. The solvent-exchange process of the compound of formula (4) and the compound of formula (5) is carried out in acetone for 3 days and then treated at 150 ° C. and 120 ° C., respectively.

77K 에서 N2의 흡착 등온선은 마이크로 크기의 세공을 갖는 물질이 갖는 전형적인 타입-1 형태의 그래프를 나타낸다. 1 bar 근처에서 보이는 값의 급격한 증가는 입자들 사이에서 일어나는 흡착으로 설명할 수 있다. N2기체 흡착을 통해 계산되어진 Brunauer-Emmett-Teller(BET) 표면적은 각각 [화학식 7] 화합물은 897 m2/g, [화학식 5] 화합물은 308 m2/g, [화학식 4] 화합물은 35 m2/g의 값을 갖는다. 상기 BET 표면적 크기의 순서는 각 물질의 공동 내 존재하는 -H, -SH, -SO3H작용기들의 크기가 커짐에 따라 나타나는 입체적 방해 정도 순서로 나타난다.
At 77 K, the adsorption isotherm of N 2 represents a typical type-1 form of the graph of the material with micro-sized pores. A sudden increase in the value seen near 1 bar can be explained by adsorption between particles. The Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area calculated through N 2 gas adsorption was 897 m 2 / g for the compound of formula 7, 308 m 2 / g for the compound of formula 5, 35 m &lt; 2 &gt; / g. The order of the BET surface area size appears in the order of the degree of steric hindrance that occurs as the size of the -H, -SH, -SO 3 H functional groups present in the cavities of each material increases.

시험예Test Example 4. 물 분자 흡착 4. Water molecule adsorption

도 9a는 25 ℃에서 [화학식 7] 화합물(블랙), [화학식 5] 화합물(블루), 및 [화학식 4] 화합물(레드)의 물 흡착 및 탈착 등온선을 나타내며, 도 9b는 90% 상대습도 하에서 [화학식 4] 화합물 가열과 냉각 순환 동안의 임피던스 스펙트럼이고, 도 9c는 90% 상대습도 하에서 [화학식 4] 화합물 가열과 냉각 순환 동안의 활성화 에너지를 나타낸 그래프이며, 도 9d는 90% 상대습도 하에서 [화학식 4] 화합물 가열과 냉각 순환 동안의 로그-스케일된 수소이온 전도도를 나타낸 그래프이다. 상기 도 9a에서 각각 채워진 도형 및 비워진 도형은 흡착 및 탈착을 의미한다.9a shows the water adsorption and desorption isotherms of the compound of formula 7 (black), the compound of formula 5 (blue) and the compound of formula 4 (red) at 25 ° C, FIG. 9C is a graph showing the activation energy during compound heating and cooling circulation under 90% relative humidity, and FIG. 9D is a graph showing the activation energy during 90% relative humidity at 90% relative humidity [ 4 is a graph showing the log-scale hydrogen ion conductivity during heating and cooling circulation of the compound. The filled and unfilled figures in FIG. 9A indicate adsorption and desorption, respectively.

또한, 도 10은 물 분자를 흡착 후 [화학식 4] 화합물, [화학식 5] 화합물 및 비교예에 따라 제조된 [화학식 7] 화합물의 PXRD 스펙트럼이다.10 is a PXRD spectrum of a compound of the formula (4), a compound of the formula (5), and a compound of the formula (7) prepared according to the comparative example after adsorption of water molecules.

물을 매개로 하는 시스템에서 골격체는 수소 이온 전달 통로를 따라 안정된 수소 결합으로 이루어진 물-네트워크를 만들 수 있도록 물 분자들을 잘 흡착해야 한다. 이 점과 관련하여 [화학식 4] 화합물, [화학식 5] 화합물 및 [화학식 7] 화합물에 대한 물 흡착, 탈착 등온선을 측정하였다(도 9a). In a water-borne system, the skeleton must adsorb water molecules well to create a water-network of stable hydrogen bonds along the hydrogen ion transport path. With respect to this point, the water adsorption and desorption isotherms of the compound of Formula 4, the compound of Formula 5, and the compound of Formula 7 were measured (FIG. 9A).

[화학식 4] 화합물의 등온선은 저압 영역(P/Po < 0.3)에서 더 빠른 흡착 증가를 보였으며 다른 시료들에 비해 큰 이력현상을 보였다. 이러한 특징적인 신호는 -H와 -SH 작용기를 갖는 다른 물질들보다 술폰산 작용기들을 갖는 물질이 물에 대해 더 높은 친화력을 갖고 있다는 것을 나타낸다. 이러한 친수성은 수소 이온의 효과적인 전달에 핵심적인 역할을 한다. The isotherm of the compound showed a faster increase in adsorption in the low pressure region (P / Po < 0.3) and a larger hysteresis than the other samples. This characteristic signal indicates that a substance having sulfonic acid functional groups has a higher affinity for water than other substances having -H and -SH functional groups. This hydrophilicity plays a key role in the effective transfer of hydrogen ions.

또한, 상기 [화학식 4] 화합물, [화학식 5] 화합물 및 [화학식 7] 화합물의 골격체 구조는 물 흡착 실험 이후에도 흡착 실험 전의 골격체와 PXRD 패턴으로 비교했을 시 유지됨을 보였다(도 10).
In addition, the skeletal structure of the compound of formula (4), the compound of formula (5), and the compound of formula (7) was maintained after the water adsorption experiment when compared with the skeleton before the adsorption experiment (FIG.

시험예Test Example 5.  5. 수소이온Hydrogen ion (양성자) 전도도 측정(Proton) Conductivity measurement

도 11a는 90% 상대습도 및 25-80 ℃ 조건에서 [화학식 7] 화합물에 대한 나이퀴스트 플롯이며, 도 11b는 90% 상대습도 조건에서 [화학식 7] 화합물의 저항에 대한 벌크 전도도에 대한 아레니우스 플롯이다.Figure 11a is a Nyquist plot for a compound of Formula 7 at 90% relative humidity and 25-80 ° C, and Figure 11b is a graph of Nyquist plot for bulk resistance against resistance of a compound at 90% relative humidity conditions. It is a Renius plot.

도 12a는 90% 상대습도 및 25-80 ℃ 조건에서 [화학식 5] 화합물에 대한 나이퀴스트 플롯이며, 도 12b는 90% 상대습도 조건에서 [화학식 5] 화합물의 아레니우스 플롯이다.Figure 12a is a Nyquist plot for a compound of Formula 5 at 90% relative humidity and 25-80 ° C, and Figure 12b is an Arrhenius plot of a compound of Formula 5 at 90% relative humidity.

도 13은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 [화학식 4] 화합물, [화학식 5] 화합물 및 비교예에 따라 제조된 [화학식 7] 화합물의 포스트-임피던스 측정을 위한 PXRD 그래프이다.13 is a PXRD graph for post-impedance measurement of a compound of Formula 4, a compound of Formula 5, and a compound of Formula 7 prepared according to an embodiment of the present invention.

상기 [화학식 4] 화합물, [화학식 5] 화합물 및 [화학식 7] 화합물의 각 수소이온 전도도를 측정하기 위해 펠렛 형태의 시료를 90%의 상대 습도(RH, relative humidity) 조건하에 25-80 ℃ 범위에서 교류 임피던스 스펙트럼을 측정하였다. 전도도 값들은 실험적으로 얻어진 임피던스 스펙트럼을 제시된 등가회로로 피팅 (fitting) 함으로서 계산되었다. In order to measure the hydrogen ion conductivities of the compounds represented by Chemical Formulas [4], [Chemical Formula 5] and [Chemical Formula 7], pellet-shaped samples were measured at a relative humidity of 90% The AC impedance spectrum was measured. Conductivity values were calculated by fitting the experimentally obtained impedance spectrum to the presented equivalent circuit.

도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 90%의 상대습도, 각기 다른 온도 조건에서 측정되어 얻어진 [화학식 5] 화합물 및 [화학식 7] 화합물에서 보이는 두 개의 반원은 임피던스 그래프 안에서 잘 분리된 상태로 나타났다. 이것은 아마도 전극접촉과 함께 벌크 저항과 입자간 저항으로부터 기여한 것으로 보인다(도 11a, 도 12a). As shown in FIGS. 11 and 12, the two semicircles shown in the compound of formula (5) and the compound of formula (7) obtained at 90% relative humidity and at different temperature conditions are well separated in the impedance graph appear. This seems to be attributed to bulk resistance and inter-particle resistance, possibly with electrode contact (Figs. 11A, 12A).

25 ℃, 90% 상대습도 조건에서 [화학식 7] 화합물의 벌크 전도도는 3.5 x 10-7 S/cm이며; 80 ℃, 90% 상대습도 조건일 때 4.3 x 10-6 S/cm로 증가한다. 같은 조건 하에 [화학식 5] 화합물의 값은 [화학식 7] 화합물보다 훨씬 큰 값을 갖는다(25 ℃일 때 6.3 x 10-6 S/cm, 80 ℃일 때 2.5 x 10-5 S/cm). At 25 캜, 90% relative humidity, the bulk conductivity of the compound of Formula 7 is 3.5 x 10-7 S / cm; It increases to 4.3 x 10-6 S / cm at 80 ℃ and 90% relative humidity condition. Under the same conditions, the value of the compound of Formula 5 is much higher than that of the compound of Formula 7 (6.3 x 10 -6 S / cm at 25 ° C and 2.5 x 10 -5 S / cm at 80 ° C).

수소 결합을 이루고 있는 물-네트워크를 향해 존재하는 작용기들의 양성자 공여 능력은 pKa에 의해 지배되기 때문에 이러한 특성은 [화학식 5] 화합물이 갖는 -SH 작용기들이 [화학식 7] 화합물이 갖는 -H 작용기보다 더 산성인 것에서 비롯한다. 놀랍게도, [화학식 4] 화합물의 전도도는 25 ℃, 90% 상대습도 조건에서 1.4 x 10-2 S/cm로 [화학식 7] 화합물과 비교했을 때 네 자릿수 더 큰 값을 가진다. 온도를 80 ℃로 증가시키면, 전도도 값은 8.4 x 10-2 S/cm로 더욱 뚜렷하게 증가하게 된다(도 9b). Since the proton donating ability of the functional groups existing in the water-network forming the hydrogen bond is governed by pKa, this property is more preferable because the -SH functional groups of the compound represented by formula (5) It comes from being acidic. Surprisingly, the conductivity of the compound of Formula 4 is 1.4 x 10 &lt; -2 &gt; S / cm at 25 DEG C and 90% relative humidity and has four orders of magnitude larger values compared to the compound of Formula 7. Increasing the temperature to 80 DEG C leads to a more pronounced increase in the conductivity value to 8.4 x 10 &lt; -2 &gt; S / cm (Fig. 9B).

이와 같이 주목할 만한 전도도 값을 갖는 것은 유기 연결자에 강한 브뢴스테드-산 자리(-SO3H)가 존재함으로 기인한다. 이러한 산성의 작용기들은 제한된 공간 안으로 물이 잘 흡수되는 것을 도와 친수성 영역을 조직화하는 것을 가능하게 하며 이로 인하여 효율적인 수소이온 전달 통로를 형성하도록 한다. 이는 나피온에서 보이는 것과 유사하다. This notable conductivity value is due to the presence of strong Bronsted acid sites (-SO 3 H) in the organic linker. These acidic functional groups help the water to be well absorbed into the confined space and allow the organization of hydrophilic regions thereby forming an efficient hydrogen ion transport pathway. This is similar to that seen in Nafion.

[화학식 4] 화합물의 초 양성자 전도도 특성은 이제까지 보고된 수소 이온 전도성을 보이는 MOF물질들 중에 가장 우월하다. 예를 들어, 산에 안정한 고체 MIL-101를 사용하여 골격체의 빈 공간 안으로 H2SO4, H3PO4, TsOH(toluenesulfonicacid), TfOH(trifuluoromethanesulfonicacid)와 같은 강산들을 도입하는 것은 TfOH@MIL101에 대해 60 ℃, 15% 상대습도 조건에서 8x10-2 S/cm까지 전도도 값을 증진시켰다. 흥미로운 실험결과 중 하나는 물-매개와 무수 조건의 수소 이온 전도성이 하나의 동일한 골격체 안에서 보이는 것을 확인한 것이다(예를 들어, {[(Me2NH2)3(SO4)]2[Zn2(oxalate)3]}n).The super proton conductivity of the compound is the most superior among the MOF materials that have been reported so far in hydrogen ion conductivity. For example, the introduction of strong acids such as H 2 SO 4 , H 3 PO 4 , Toluenesulfonicacid, and TfOH (trifuluoromethanesulfonicacid) into the empty space of the skeleton using an acid-stable solid MIL- The conductivity value was increased to 8x10 &lt; -2 & gt ; S / cm at 60 DEG C and 15% relative humidity. One of the interesting experimental results is that the hydrogen ion conductivity of water-mediated and anhydrous conditions is found in the same skeleton (for example, {[(Me 2 NH 2 ) 3 (SO 4 )] 2 [Zn 2 (oxalate) 3 ]} n ).

이러한 높은 수소 이온 전도도를 보이는 물질들은 전도를 가능하게 하는 손님분자들을 지니고 있기 때문에 유기 연결자에 공유 결합된 강산 작용기들을 포함하고 있는 [화학식 4] 화합물과는 다르다. 상기 [화학식 4] 화합물은 물이 매개되는 수소 이온 전도 통로로 많은 양의 수소 이온을 제공할 수 있는 강산 단위체들이 공유결합으로 금속-유기 골격체에 존재하고 있는 것으로, 이는 나피온(Nafion)에 상응하는 최고의 전도도 값을 가지는 것을 가능하게 한다. 모든 시료들의 전도도 측정 후 구조적 안정성은 PXRD를 측정을 통해 확인되었으며(도 13), 구조가 변화되지 않은 것을 확인하였다.
These high hydrogen ion conductivity materials are different from the [Formula 4] compounds containing strong acid functional groups covalently bonded to organic linkers because they have guest molecules that enable conduction. The compound of formula (4) is a water-mediated proton conduction pathway in which strongly acidic units capable of providing a large amount of hydrogen ion are present in the metal-organic skeleton as a covalent bond, which is represented by Nafion To have the corresponding highest conductivity value. Structural stability after the conductivity measurements of all the samples was confirmed by measuring PXRD (Fig. 13), confirming that the structure was not changed.

시험예Test Example 6. 활성화 에너지 측정 6. Measurement of activation energy

아레니우스 플롯(Arrhenius plots)으로부터 얻어진 활성화 에너지는(Ea) 그 값이 각각 0.43 eV([화학식 7] 화합물), 0.23 eV([화학식 5] 화합물), 0.32 eV([화학식 4] 화합물)로 나타났다. 이러한 결과는 기공 내부의 기능화가 수소 주게와 받게 사이의 적절한 간격을 형성하는 것이라고 할 수 있다. 기능화된 고체들의 정해진 활성화 에너지(Ea) 값은 Nafion(0.22 eV), uranium phosphate(0.32 eV), 그리고 보고된 많은 다른 전도성 MOF와 유사한 값을 가진다. 상기 [화학식 5] 화합물과 [화학식 4] 화합물의 활성화 에너지 값 범위는 작용기들이 수소 이온의 도약 과정으로 물 채널을 통해 확산되어 수소가 공급되는 통상적인 Grotthuss mechanism에 해당한다.
The activation energies obtained from Arrhenius plots are (E a ) values of 0.43 eV (compounds of formula 7), 0.23 eV (of compounds 5) and 0.32 eV (of formula 4) Respectively. These results suggest that the functionalization inside the pore forms a proper gap between hydrogen donor and acceptor. The determined activation energy (E a ) values of functionalized solids are similar to those of Nafion (0.22 eV), uranium phosphate (0.32 eV), and many other conductive MOFs reported. The range of the activation energy of the compound of the formula 5 and the compound of the formula 4 corresponds to the conventional Grotthuss mechanism in which the functional groups are diffused through the water channel and hydrogen is supplied by the hydrogen ion leaching process.

시험예Test Example 7.  7. 수소이온Hydrogen ion 전도도와 습도의 상관관계 확인 Correlation between conductivity and humidity

도 14는 25 ℃에서 [화학식 4] 화합물의 상대습도에 따른 수소이온 전도도를 나타낸 그래프이다.14 is a graph showing the hydrogen ion conductivity according to the relative humidity of the compound of Formula 4 at 25 ° C.

도 14에 나타낸 바와 같이, 전도성과 습도와의 상관관계를 명확하게 하기 위해 [화학식 4] 화합물에 대해 25 ℃, 다양한 상대 습도를 적용하면서 수소이온 전도도를 측정하였으며 데이터에 해당하는 점들을 직선 그래프 위에 나타내었다. As shown in FIG. 14, to clarify the correlation between the conductivity and humidity, the hydrogen ion conductivity was measured while applying various relative humidity at 25 ° C. to the compound of Chemical Formula 4, and the points corresponding to the data were plotted on a straight line graph Respectively.

수소이온 전도도는 낮은 상대습도 영역에서 서서히 증가하며 50% 상대습도 이상에서 급격하게 증가한다. 이러한 경향은 수소 이온 전도가 전도 경로 안에 포함된 물 분자의 함량에 크게 의존한다는 것을 의미하며 수소 이온 전도도가 Grotthuss mechanism를 통해 일어난다는 사실을 뒷받침한다. 이러한 경향은 상대습도가 75% 이상일 때 가파른 전도도 증가를 보인 H+@Ni2(dobdc)(H2O)2에서도 유사한 결과로 나타났다.
Hydrogen ionic conductivity increases slowly in the low relative humidity range and increases abruptly above 50% relative humidity. This tendency suggests that hydrogen ion conduction is highly dependent on the content of water molecules contained in the conduction pathway and supports the fact that hydrogen ion conductivity occurs through the Grotthuss mechanism. This tendency was similar for H + @ Ni 2 (dobdc) (H 2 O) 2 , which exhibited a steep increase in conductivity when the relative humidity was above 75%.

시험예Test Example 8.  8. 수소이온Hydrogen ion 전도도와 온도의 상관관계 확인 Correlation between conductivity and temperature

도 15는 [화학식 4] 화합물의 포스트-임피던스 측정을 위한 PXRD 그래프이다.15 is a PXRD graph for post-impedance measurement of the compound of Formula 4;

90% 상대습도 조건에서 두 번의 heating-cooling(가열과 냉각) 순환을 거치면서 온도에 의존한 수소 이온 전도도 변화를 관찰하였다. 수소이온 전도도는 온도가 증가함에 따라 함께 증가하였고, 냉각하는 동안 함께 감소하였다. Heating과 cooling 프로파일의 차이가 눈에 띠게 나타났는데 이것은 시료가 냉각 과정 동안 물 분자를 충분히 재흡수 할 만한 시간이 부족했기 때문에 시료 자체의 수화 정도와 관련이 있을 것이라 예상된다. 이런 차이는 낮은 온도에서 더욱 증가하게 되는데 이는 아마도 전도로 안으로 향하는 물 분자의 느린 흡-탈착 속도 때문일 것이다. Temperature-dependent changes in hydrogen ion conductivity were observed under two heating-cooling cycles at 90% relative humidity. Hydrogen ion conductivity increased with increasing temperature and decreased together during cooling. The difference between the heating and cooling profiles is noticeable, which is expected to be related to the degree of hydration of the sample itself, since the sample lacked sufficient time to reabsorb water molecules during the cooling process. This difference is further increased at low temperatures, probably due to the slow adsorption-desorption rate of water molecules into the conduction path.

두 번의 반복된 heating-cooling(가열과 냉각) 순환에 대하여 첫번째 가열과 두번째 가열 그리고 첫번째 냉각과 두번째 냉각 선이 거의 동일하므로 연료 전지 응용을 위해 요구되는 전도도 패턴들이 예측 가능하다. 게다가 heating-cooling(가열과 냉각) 순환 과정 동안 전도도 측정 이후 PXRD 측정을 통해 구조가 잘 유지되고 있음을 확인하였다(도 15). Conductivity patterns required for fuel cell applications are predictable because the first and second heating, first cooling, and second cooling lines are nearly identical for two repeated heating-cooling cycles. Furthermore, it was confirmed that the structure was maintained well by the PXRD measurement after the conductivity measurement during the heating-cooling circulation process (FIG. 15).

[화학식 4] 화합물의 장기 안정성 여부를 확인하기 위해 25 ℃, 90% 상대습도로 유지되는 환경에 두고 전도도를 측정하였다. 전도도는 거의 96 시간까지 변하지 않았으며 이는 전도도 측정을 하는 동안 구조적으로 안정하다는 것을 암시한다.
[Chemical Formula 4] In order to confirm the long-term stability of the compound, the conductivity was measured in an environment maintained at 25 ° C and 90% relative humidity. Conductivity did not change until nearly 96 hours, suggesting that it is structurally stable during conductivity measurements.

결론적으로 싸이올 작용기로 기능화된 [화학식 5] 화합물을 마이크로파 반응을 통해 합성하였으며, 싸이올 작용기들은 H2O2와 H2SO4용액 처리를 통해 완전히 산화되고 산성화되어 [화학식 4] 화합물을 얻을 수 있다. As a result, a compound represented by Formula 5 that is functionalized with a thiol functional group is synthesized through a microwave reaction. The thiol functional groups are completely oxidized and acidified by treatment with a solution of H 2 O 2 and H 2 SO 4 to obtain a compound of Formula 4 .

성공적으로 MOF의 골격에 -SO3H작용기들을 공유결합으로 존재하게 하였고, 이것들의 효율적인 수소 이온 제공을 통해 휠씬 증가된 수소 이온 전도를 가능하게 하였다. 상기 [화학식 4] 화합물의 골격체는 물을 매개로 하는 수소 연료 전지 기술에 필수적인 끓는 물 상태에서도 구조가 유지되는 것을 확인하였다. Successfully, the -SO 3 H functional groups were covalently bound to the backbone of the MOF, and their efficient hydrogen ion delivery enabled much greater hydrogen ion conduction. The skeleton of the compound of Formula 4 was confirmed to maintain its structure even in the state of boiling water essential to the hydrogen fuel cell technology mediated by water.

또한, 80 ℃, 90% 상대습도 조건에서 보이는 전도도 값 8.4 x 10-2 S/cm은 이제껏 보고된 수소 이온 전도성을 갖는 MOF들 중에서 가장 뛰어난 값이며 나피온이 갖는 값과 견줄 만하다. 이러한 결과들은 MOF 물질들의 수소 이온 전도도를 극대화 시킬 수 있는 유망한 경로를 제시할 것이다.
In addition, the conductivity value of 8.4 x 10 -2 S / cm observed at 80 ° C and 90% relative humidity is the best value among the MOFs with hydrogen ion conductivity reported so far and comparable to that of Nafion. These results will provide a promising pathway to maximize the hydrogen ion conductivity of MOF materials.

물리적 측정Physical measurement

C, H 및 N에 대한 원소분석은 서강대학교 원소분석센터에서 측정되었으며, 열중량분석은 Scinco TGA N-1000을 사용하여 질소 흐름(50 mL/min) 하에서 10 ℃/min의 램프 속도로 측정되었다.The elemental analysis for C, H and N was measured at Sogang University elemental analysis center and the thermogravimetric analysis was carried out using a Scinco TGA N-1000 at a ramp rate of 10 ° C / min under nitrogen flow (50 mL / min) .

PXRD 회절분석은 2°/min의 스캔속도와 0.02°의 스텝 사이즈로 Rigaku Ultima III 회절분석기[CuKα(λ=1.5406 )]를 사용하여 측정되었으며, 적외선 스펙트럼은 Bomen MB 104 FT-IR 분광계를 사용하여 KBr 펠렛으로 수득되었다. PXRD diffraction analysis was performed using a Rigaku Ultima III diffractometer [CuKa (λ = 1.5406)] at a scan rate of 2 ° / min and a step size of 0.02 ° and infrared spectra were measured using a Bomen MB 104 FT-IR spectrometer KBr pellets.

또한, XPS 스펙트럼은 Al Kα 단색광 X-선 방출원(1486.7 eV)이 장착된 PHI 5000 VersaProbe를 사용하여 한국과학기술연구원(KIST)의 분석센터에서 측정되었다.
The XPS spectrum was also measured at the KIST analysis center using PHI 5000 VersaProbe equipped with Al Kα monochromatic X-ray emission source (1486.7 eV).

흡착 측정Adsorption measurement

가스 흡착 등온선은 1 atm의 가스 기압까지 BEL Belsorp mini II 가스 흡착장치를 사용하여 측정하였다. 고순도 N2(99.999%), CO2(99.999%)를 흡착 실험에 이용하였다.Gas adsorption isotherms were measured using a BEL Belsorp mini II gas adsorber to a gas pressure of 1 atm. High purity N 2 (99.999%) and CO 2 (99.999%) were used for adsorption experiments.

가스 등온선은 77 K(N2), 273 K(CO2), 및 298 K(CO2)로 측정하였으며, 물 흡착실험은 25 ℃에서 Micrometrics ASAP2020 장치를 이용하여 부피법에 의해 수행되었다.
Gas isotherms were measured at 77 K (N 2 ), 273 K (CO 2 ), and 298 K (CO 2 ) and water adsorption experiments were carried out at 25 ° C using the Micrometrics ASAP2020 apparatus.

임피던스 분석Impedance Analysis

AC 임피던스 데이터는 펠렛 (0.6 cm in diameter)을 이용하여 얻었으며, 상기 펠렛의 두께는 0.10-0.14 cm이다.AC impedance data was obtained using pellets (0.6 cm in diameter), and the thickness of the pellets was 0.10-0.14 cm.

측정은 Pt 가압된 전극으로 Solartron SI 1260 Impedance/Gain-Phase 분석기 및 1287 Dielectric Interface를 이용하여 측정되며, 100 mV의 AC 전압 진폭 및 3 MHz - 0.1 Hz의 주파수 범위가 적용된다. The measurement is performed using a Solartron SI 1260 Impedance / Gain-Phase analyzer with a Pt pressurized electrode and a 1287 Dielectric Interface, with an AC voltage amplitude of 100 mV and a frequency range of 3 MHz to 0.1 Hz.

Claims (8)

하기 [화학식 1]로 표시되는 술폰산기를 도입한 3차원 다공성 지르코늄계 금속-유기 골격체;
[화학식 1]
[Zr6O4(OH)4(C8H4O10S2)6]m
상기 금속-유기 골격체는 Zr6O4(OH)4에 1,4-디메틸-2,5-벤젠술포닉산이 결합된 3차원의 구조이며,
상기 m은 0 내지 100의 정수임.
A three-dimensional porous zirconium-based metal-organic skeleton having a sulfonic acid group represented by the following formula (1);
[Chemical Formula 1]
[Zr 6 O 4 (OH) 4 (C 8 H 4 O 10 S 2 ) 6 ] m
The metal-organic skeleton is a three-dimensional structure in which 1,4-dimethyl-2,5-benzenesulfonic acid is bonded to Zr 6 O 4 (OH) 4 ,
M is an integer of 0 to 100;
제1항에 있어서, 상기 지르코늄계 금속-유기 골격체는 80 ℃ 및 90% 상대습도 하에서 양성자 전도도가 1.0 X 10-2 내지 1.0 X 10-1 S/cm인 것을 특징으로 하는 술폰산기를 도입한 지르코늄계 금속-유기 골격체.The zirconium-based metal-organic skeleton according to claim 1, wherein the zirconium-based metal-organic skeleton has a proton conductivity of 1.0 X 10 -2 to 1.0 X 10 -1 S / cm at 80 ° C and 90% relative humidity. Based metal - organic skeleton. 제1항에 있어서, 상기 지르코늄계 금속-유기 골격체의 BET 표면적은 30 내지 100 m2/g인 것을 특징으로 하는 술폰산기를 도입한 지르코늄계 금속-유기 골격체.The zirconium-based metal-organic skeleton according to claim 1, wherein the zeta-based metal-organic skeleton has a BET surface area of 30 to 100 m 2 / g. 하기 [화학식 2]의 화합물을 산화제로 처리한 후 묽은 산용액을 첨가하여 반응함으로써 제조되는 하기 [화학식 1]로 표시되는 술폰산기를 도입한 지르코늄계 금속-유기 골격체의 제조방법;
[화학식 1]
[Zr6O4(OH)4(C8H4O10S2)6]m
[화학식 2]
[Zr6O4(OH)4(C8H4O4S2)6]m
상기 [화학식 1]로 표시되는 금속-유기 골격체는 Zr6O4(OH)4에 1,4-디메틸-2,5-벤젠술포닉산이 결합된 3차원의 구조이며,
상기 m은 0 내지 100의 정수임.
A process for producing a zirconium-based metal-organic skeleton by introducing a sulfonic acid group represented by the following formula (1), which is prepared by treating a compound of the following formula (2) with an oxidizing agent and then adding a dilute acid solution thereto;
[Chemical Formula 1]
[Zr 6 O 4 (OH) 4 (C 8 H 4 O 10 S 2 ) 6 ] m
(2)
[Zr 6 O 4 (OH) 4 (C 8 H 4 O 4 S 2 ) 6 ] m
The metal-organic skeleton represented by the formula (1) is a three-dimensional structure in which 1,4-dimethyl-2,5-benzenesulfonic acid is bonded to Zr 6 O 4 (OH) 4 ,
M is an integer of 0 to 100;
제4항에 있어서, 상기 산화제는 20 내지 50%의 과산화수소용액인 것을 특징으로 하는 술폰산기를 도입한 지르코늄계 금속-유기 골격체의 제조방법.5. The process for producing a zirconium-based metal-organic skeleton according to claim 4, wherein the oxidizing agent is 20 to 50% hydrogen peroxide solution. 제4항에 있어서, 상기 [화학식 2]의 화합물은 하기 [화학식 3]의 화합물, 사염화지르코늄(ZrCl4) 및 아세트산을 혼합한 후 마이크로파를 조사하여 제조되는 것을 특징으로 하는 술폰산기를 도입한 지르코늄계 금속-유기 골격체의 제조방법;
[화학식 3]
C8S2O4H6.
The zirconium-based compound according to claim 4, wherein the compound of formula (2) is prepared by mixing a compound of formula (3), zirconium tetrachloride (ZrCl 4 ) and acetic acid, A method for producing a metal-organic skeleton;
(3)
C 8 S 2 O 4 H 6.
제6항에 있어서, 상기 마이크로파의 출력은 50 내지 300 W인 것을 특징으로 하는 술폰산기를 도입한 지르코늄계 금속-유기 골격체의 제조방법. 7. The method of claim 6, wherein the output of the microwave is 50 to 300W. 제6항에 있어서, 상기 마이크로파의 압력은 80 내지 200 psi인 것을 특징으로 하는 술폰산기를 도입한 지르코늄계 금속-유기 골격체의 제조방법. 7. The method of claim 6, wherein the pressure of the microwave is 80 to 200 psi.
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