近日，南京理工大學化工學院張根教授團隊在質子交換隔膜材料方面取得最新研究進展。相關研究成果以“Perfluoroalkyl-functionalized Covalent Organic Frameworks with Superhydrophobicity for Anhydrous Proton Conduction”為題，發(fā)表在國際化學頂級期刊《J. Am. Chem. Soc.》上。我校為該項工作第一完成單位和通訊單位，青年教師吳曉偉為論文第一作者，張根教授為論文通訊作者，京都大學Satoshi Horike為論文共同通訊作者。
當前，化石燃料所帶來的環(huán)境污染和能源危機日益嚴峻，加速新能源的開發(fā)與利用。燃料電池（fuel cell）作為一種將“化學能轉換為電能”的能量轉換裝置，由于其能量轉換效率高、能量密度高、無噪音無污染，成為改變?nèi)祟惿畹氖笮录夹g之一。性能優(yōu)異的質子交換膜是燃料電池研發(fā)中核心技術。過去數(shù)十年來，質子傳導材料的發(fā)展產(chǎn)生了各種全氟化聚電解質，例如Nafion。但是，由于這類材料適用溫度范圍窄（<80℃）、成本高、耐用性不足，限制了在耐高溫和高能量密度燃料電池中的應用。
共價有機骨架（COF）是一類新型的晶態(tài)有機多孔聚合物，是有機結構單元通過共價鍵連接而成的有序的框架結構。它們的顯著特征之一是結構與性能的可調控性。二維COF形成的均勻1D通道與Nafion結構中通道相似，這使它們成為質子傳輸?shù)臐撛诓牧稀５?，傳統(tǒng)COF材料的化學穩(wěn)定性較差，限制了其在酸性質子交換隔膜中的應用。
鑒于此，張根團隊開發(fā)了一種自下而上的自組裝策略，構建了全氟烷基官能化的二維COF，并系統(tǒng)地研究了不同長度的氟鏈對COF晶態(tài)和質子傳導性能的影響。與無氟的COF相比，由于增強的疏水性（水接觸角為144°），氟化COF對強酸具有超強結構穩(wěn)定性，在濃磷酸(85%)，濃硝酸(65%)和濃鹽酸(38%)中均可穩(wěn)定存在。表征結果發(fā)現(xiàn)，在磷酸摻雜修飾后，氟化的COF材料在無水條件下的質子傳輸導電性達到4.2×10-2?S m-1（140 ℃），是目前有機多孔材料無水質子傳輸性能最高的例子之一，同時這一離子傳輸性能是無氟COF的一萬倍。通過固體NMR表征結果顯示，磷酸在COF通道中通過氫鍵相互連接，大多數(shù)的磷酸具有較強的可移動性，同時COF框架結構呈剛性，從而具有快速傳導質子的性能。本文為通過COF孔結構設計，實現(xiàn)其導向性功能化，提供了COF功能化修飾的成功范例。這一研究為孔表面的預先設計和功能化，實現(xiàn)COF的目標性能鋪平了道路，并凸顯了COF納米通道作為快速離子傳輸平臺的巨大潛力。
該工作得到了中組部“海外高層次引進人才”項目、江蘇省自然科學基金和軟化學與功能材料教育部重點實驗室的支持。
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