高温质子传导材料对于氢能的利用具有重要意义。共价三嗪框架（CTFs）具有高的化学稳定性以及大量的碱性吡啶氮，有利于负载并活化质子载体（H₃PO₄），已被证明是一类良好的质子传导材料，但需要更丰富的位点进一步加强材料与质子载体的相互作用，进而提高质子传导性能。氟原子作为氢键受体，可以与磷酸形成氢键，从而进一步提高质子传导率。全氟化CTFs (CTF-TF)具有最大数量的磷酸作用位点。目前，氟化CTFs已经在CO₂吸附分离，电催化，电池等领域展现出巨大的优势，但是以ZnCl₂为催化剂的高温离子热条件会使C-F断裂，材料的含氟量较低；在温和条件下实现高含氟量、高比表面积的全氟化CTFs仍然是一个巨大的挑战。

西安交通大学化工学院金尚彬教授团队针对全氟化CTFs合成的难点，开发了一种以碘化铵为氮源，醛基环三聚制备CTFs的新方法，该方法具有良好的普适性，在温和条件下成功合成了CTF-TF，其含氟量高达30.2wt%。负载磷酸后，CTF-1在150℃时的质子传导性能为8.34 × 10^–2S cm^-1;在相同条件下，CTF-TF的质子传导性能可达1.82 × 10^–1S cm^-1，超过目前大部分COFs质子传导性能。

图1（a）该反应合成三嗪环可能的机理示意图；（b）不同结构CTFs的合成

图2（a-c）CTFs负载H3PO4后的质子传导性能测试; (d-f) CTFs与H₃PO₄相互作用示意图

作者通过实验和理论计算进一步证明了CTFs与H₃PO₄的结合方式，结果表明CTF-TF中含有大量的F位点可以增强材料与磷酸的相互作用，并作为氢键受体参与质子传输网络的构建，因而CTF-TF具有优异的质子传导性能。该工作有望为高性能的燃料电池提供新型的高温质子交换膜材料。

该成果以《低温合成具有高质子传导性能全氟化共价三嗪框架》（A highly proton conductive perfluorinated covalent triazine framework via low-temperature synthesis）为题发表在顶级期刊《自然通讯》（Nature Communications，影响因子：16.6），西安交通大学化学工程与技术学院为本文的唯一通讯单位，西安交通大学博士生关立江为第一作者，西安交通大学化学工程与技术学院金尚彬教授为通讯作者。该论文得到了国家自然科学基金、西安交通大学“青年拔尖人才支持计划”等项目的大力支持。同时感谢西安交通大学大型仪器设备共享实验中心在分析测试方面的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43829-4