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高溫質(zhì)子傳導材料對于氫能的利用具有重要意義。共價三嗪框架（CTFs）具有高的化學穩(wěn)定性以及大量的堿性吡啶氮，有利于負載并活化質(zhì)子載體（H₃PO₄），已被證明是一類良好的質(zhì)子傳導材料，但需要更豐富的位點進一步加強材料與質(zhì)子載體的相互作用，進而提高質(zhì)子傳導性能。氟原子作為氫鍵受體，可以與磷酸形成氫鍵，從而進一步提高質(zhì)子傳導率。全氟化CTFs (CTF-TF)具有最大數(shù)量的磷酸作用位點。目前，氟化CTFs已經(jīng)在CO₂吸附分離，電催化，電池等領域展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，但是以ZnCl₂為催化劑的高溫離子熱條件會使C-F斷裂，材料的含氟量較低；在溫和條件下實現(xiàn)高含氟量、高比表面積的全氟化CTFs仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

西安交通大學化工學院金尚彬教授團隊針對全氟化CTFs合成的難點，開發(fā)了一種以碘化銨為氮源，醛基環(huán)三聚制備CTFs的新方法，該方法具有良好的普適性，在溫和條件下成功合成了CTF-TF，其含氟量高達30.2wt%。負載磷酸后，CTF-1在150℃時的質(zhì)子傳導性能為8.34?×?10^–2S cm^-1;在相同條件下，CTF-TF的質(zhì)子傳導性能可達1.82?×?10^–1S cm^-1，超過目前大部分COFs質(zhì)子傳導性能。

圖1（a）該反應合成三嗪環(huán)可能的機理示意圖；（b）不同結(jié)構CTFs的合成

圖2（a-c）CTFs負載H3PO4后的質(zhì)子傳導性能測試; (d-f) CTFs與H₃PO₄相互作用示意圖

作者通過實驗和理論計算進一步證明了CTFs與H₃PO₄的結(jié)合方式，結(jié)果表明CTF-TF中含有大量的F位點可以增強材料與磷酸的相互作用，并作為氫鍵受體參與質(zhì)子傳輸網(wǎng)絡的構建，因而CTF-TF具有優(yōu)異的質(zhì)子傳導性能。該工作有望為高性能的燃料電池提供新型的高溫質(zhì)子交換膜材料。

該成果以《低溫合成具有高質(zhì)子傳導性能全氟化共價三嗪框架》（A highly proton conductive perfluorinated covalent triazine framework via low-temperature synthesis）為題發(fā)表在頂級期刊《自然通訊》（Nature Communications，影響因子：16.6），西安交通大學化學工程與技術學院為本文的唯一通訊單位，西安交通大學博士生關立江為第一作者，西安交通大學化學工程與技術學院金尚彬教授為通訊作者。該論文得到了國家自然科學基金、西安交通大學“青年拔尖人才支持計劃”等項目的大力支持。同時感謝西安交通大學大型儀器設備共享實驗中心在分析測試方面的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43829-4