近日，我校化学学院朱广山、张宁教授团队在高性能离子传输多孔薄膜的研发方面取得重要进展。燃料电池作为高效清洁的能源转换装置，因其能量密度高、应用范围广及环境友好等优势，受到广泛关注。其中，离子交换膜作为核心组件，其性能直接决定着燃料电池的工作效率。尽管现有商用膜在离子传导方面表现良好，但其高昂成本、不清晰的分子结构以及对湿度的高度依赖性，严重制约了燃料电池的进一步应用和推广。因此，开发性能优异的新型替代膜材料成为当务之急。多孔有机聚合物（POPs）因其比表面积大、结构可调及稳定性高，在离子交换膜领域展现出巨大潜力。然而，大多数POPs以不溶性粉末形式存在，制备结构均匀、连续的POP薄膜仍面临技术挑战。针对这一科学难题，朱广山、张宁教授团队充分挖掘POPs材料的结构多样性，围绕提升膜的离子传导性和稳定性，构建了一种高效且具有普适性的新型POP薄膜合成策略，成功制备出具备功能导向性的多孔薄膜，并从“合成方法—材料结构—性能调控”三个维度开展系统研究。相关成果已相继发表于在Angewandte Chemie International Edition、Chemical Science、Small 等国际核心期刊。
图1利用表面引发策略构筑多孔聚合物薄膜
团队首次提出“表面引发聚合”策略，在硅片表面原位构筑具有功能性诱导基团的超薄磺酸基共价有机框架（SCOF）薄膜。通过去除牺牲层，成功获得厚度可控的连续自支持SCOF薄膜。该薄膜具备刚性的有机骨架、有序的孔道结构及均匀分布的磺酸基团，即使在未额外引入聚合物或酸性小分子的情况下，依然展现出优异的质子传导性能。在80?°C、纯水环境下，SCOF薄膜连续工作40小时后仍维持高达0.54?S?cm??的稳定传导率。本研究为POP薄膜的构建提供了新思路，推动了其在质子交换膜燃料电池中的应用。相关成果以“Surface-Mediated Construction of an Ultrathin Free-Standing Covalent Organic Framework Membrane for Efficient Proton Conduction” 为题，发表在 Angewandte Chemie International Edition期刊上。
针对传统聚合物膜在低湿度下传导通道收缩、电导率骤降等问题，团队进一步基于POPs易于分子层面功能化的优势，通过后修饰获得两性离子功能化的COF（Z-TpPa）材料，并沿用表面引发聚合策略制备Z-TpPa薄膜。该薄膜刚性骨架确保其尺寸稳定性，而两性离子赋予其优异的亲水性和高密度酸性基团，从而构建出连续、规整的质子传导通道。该膜在50%–90%湿度范围内展现出良好的保水能力，有效缓解了质子导膜在低湿环境下性能下降的问题。相关成果以 “Continuous Ultrathin Zwitterionic Covalent Organic Framework Membrane Via Surface-Initiated Polymerization Toward Superior Water Retention” 为题，发表在 Small 期刊上。
除质子交换膜外，团队亦聚焦阴离子交换膜燃料电池中存在的传导率低与碱稳定性差等关键问题，围绕多孔芳香骨架（PAFs）材料展开研究。通过调控侧链基团种类与长度，设计并合成了多种PAFs薄膜。其中，PAF-MPIP-6膜在80?°C、98%相对湿度条件下电导率高达356.6?mS?cm??，刷新了当前已知AEMs的最高电导率记录。同时，该膜展现出优异的碱稳定性与化学稳定性，其性能优势归因于合理排列的孔内阳离子基团与固有刚性骨架结构。相关成果以“Ultrathin Free-Standing Porous Aromatic Framework Membranes for Efficient Anion Transport”为题，发表在 Angewandte Chemie International Edition期刊上。
鉴于团队在多孔薄膜设计策略上的创新性及其在离子交换膜领域的应用潜力，先后受邀在多个国际期刊撰写综述文章。其中包括题为 “Porous Organic Framework Membranes Based on Interface-Induced Polymerisation: Design, Synthesis and Applications” 的综述，发表在Chemical Science期刊上；另一篇题为 “Advanced Anion Exchange Membranes: Structural Insights and Property Optimization” 的综述则发表在 Chemistry – An Asian Journal期刊上。
相关论文的链接网址：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202104106
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202308499
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202402943
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/sc/d3sc05787a
https://aces.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/asia.202401454
初审：黄宇彬
复审：解悦
终审：郑伟
