在固体中实现高的质子电导率是材料科学研究中最大的挑战之一。在这方面，杂多酸由于其独特的结构和在固体中创纪录的质子电导率而引起了人们的极大关注，12-钨磷酸水合物在室温下的质子电导率高达0.18 S cm⁻¹。此后，大量基于杂多酸的固体电解质相继被报道，它们在固体催化剂和包括中温H₂/O₂燃料电池在内的不同电化学器件中具有良好的应用前景。

近日，瑞典查尔姆斯理工大学Anna Martinelli报道了一种新型固态质子导体的结构和电荷输运特性，并通过质子从12-钨磷酸转移到咪唑的酸−碱化学合成了该导体。由此产生的材料（Imid₃WP）是一种固体盐水合物，在室温下，每个结构单元包含四个水分子。这是首次尝试通过水和咪唑的混合物来调节杂多酸基固态质子导体的性质，在具有高热稳定性和电化学稳定性的基于水和离子液体的质子导体之间进行内插。

文章要点

1）在真正无水条件下测得的咪唑Imid₃WP·4H₂O的质子电导率在322 K时为0.8×10⁻⁶ S cm−1，高于报道的其他相关盐类水合物的电导率，尽管其水化程度较低。此外，Imid₃WP·2H₂O也具有极高的质子电导率，从较低的活化能（E_a=0.26 eV）来看，这归因于质子的结构扩散。

2）研究人员根据互补X射线衍射数据、振动光谱和固体核磁共振实验，解析了该盐水合物的局部结构，咪唑阳离子优先取向于钨磷酸盐阴离子的表面，从而获得了密实堆积的固体材料，以及建立了极强氢键的水合水分子。此外，计算结果证实了这些结构细节，也有证据表明质子转移的最低能量路径主要涉及咪唑和水分子，而接近的Keggin阴离子有助于降低这一特殊路径的能垒。

参考文献

Anna Martinelli, et al, A New Solid-State Proton Conductor: The Salt Hydrate Based on Imidazolium and 12-Tungstophosphate, J. Am. Chem. Soc., 2021

DOI：10.1021/jacs.1c06656

https://doi.org/10.1021/jacs.1c06656