鑽石舞台

質子導電材料的開發在燃料電池和電子設備的質子交換膜的製造中發揮着重要作用。高性能的質子導體不僅需要高效的質子傳導能力，還要求高度的穩定性，以使其能夠在苛刻的燃料電池操作條件下長期、穩定的運行。目前僅有的幾種已商業化的質子導電材料，如Nafion，存在合成步驟複雜、價格昂貴、耐久性不足、最適工作溫度區間窄等缺點。此外，它們模糊、無序的分子結構阻礙了精確結構的設計和對質子傳導機制的理解。因此，開發用於高溫聚合物電解質膜燃料電池的無水質子傳導材料具有重要意義。

共價有機框架（COFs）是一種新型的晶態多孔有機高分子材料，具有高比表面積、孔道大小可調、結構和功能可預先設計等優點，有望作為一種理想的質子傳導材料。然而，二維COFs普遍具有較弱的層間相互作用和可逆的有機連接鍵，使得其結構穩定性受到挑戰，阻礙了材料的實際應用。且弱的層間相互作用不利於晶體的長程有序生長，最終限制了質子傳導的性能。

近日，華南理工大學的杜麗教授開發了一種通過C3對稱性單體的中心結構來調控二維COFs的層間相互作用的策略，從而控制材料的結晶度、孔隙率和物理化學穩定性，最終構建了超穩定的COFs材料用於高效的無水質子傳導。

以苯基/三嗪基為C3對稱性單體的結構中心，通過席夫鹼反應構建了4例亞胺連接的COFs。隨着三嗪基團引入骨架中心，COFs的層間相互作用得到加強，其結晶度、孔隙率、物理和化學穩定性也隨之明顯提高。甚至在嚴苛的化學條件下（85% H3PO4浸泡），TPT-COF能穩定存在至少2個月，該優異的穩定性優於大多數亞胺連接的COFs。

進一步通過DFT計算預測了材料的堆疊行為和堆疊能，結合實驗結果揭示了層間相互作用的調控機制：一方面，以三嗪基為核的結構單元趨於平坦化，減少了層間堆疊出現誤差和位錯的機會，從而提高了堆疊的有序度；另一方面，由於TPT-COF獨特的反向平行的AA堆疊方式誘導了層間的自互補π電子相互作用，使得層間富電子與缺電子單元出現供體–受體相互作用和反平行的亞胺鍵間的偶極–偶極相互作用，賦予了材料穩定的結構。

最終，採用簡便的溶液浸漬策略將質子導體（H3PO4）負載到COFs孔道內，所製備的H3PO4@COFs表現出優異的無水質子傳導性能和良好的穩定性、熱耐久性。在160℃，無水的條件下，質子電導率高達1.27 × 10 –2S cm–1。該工作提出調整層間相互作用的策略，為亞胺連接的COFs的不穩定性提供了一個簡單的解決方案，同時提高了其結構的結晶度和孔隙率。因此，該策略可以促進COFs在無水質子傳導系統等能源相關設備的設計和開發。