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Angew: 微乳液“限域造片”，高结晶COF纳米片打造新一代质子交换膜电解槽

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背景

随着全球氢能体系快速发展，质子交换膜水电解（PEMWE）成为制备高纯氢气的关键技术。然而，现有商用质子交换膜（如 Nafion）受限于低质子电导率（<0.2 S cm⁻¹）、机械强度不足（<20 MPa）及高膨胀率（>20%），难以支撑高电流密度、高稳定性运行。共价有机框架（COFs）因其高度有序孔道、可设计结构与化学稳定性被认为是理想的膜材料候选，但制备高结晶、高强度、可自支撑的 COF 膜仍是挑战：传统的界面聚合法与相转移聚合法难以在尺寸、结晶度与产率上同时达到理想平衡。如何在分子尺度上**控制 COF 纳米片的成核与生长，成为制约其在能源转化领域应用的关键瓶颈。

创新

近日，天津大学姜忠义、吴洪教授团队提出一种基于微乳液限域的半封闭合成策略，实现了高质量 COF 纳米片的可规模化制备，并成功构筑**用于水电解的自支撑 COF 质子交换膜。

限域–释域协同：**控制成核与生长

研究者利用微乳液的高曲率界面与广阔接触面积，使成核过程在“限域空间”内瞬时发生，而晶体生长则在“释域空间”中有序进行。该“限域–释域”双空间协同机制使 COF 纳米片同时具备高结晶度、尺寸均一与高产率，突破了传统平面界面聚合方法的固有限制。

通用性与可扩展性：多体系验证

该策略成功制备多种高质量 COF 纳米片（包括 TpPa–SO₃H、TpBd–(SO₃H)₂ 与 TpTG），显示出良好的普适性和可放大性。

高性能质子交换膜：性能全面超越 Nafion

将 TpBd–(SO₃H)₂ 纳米片组装为自支撑膜后，材料表现出：

质子电导率高达 1.76 S cm⁻¹（为 Nafion 的近十倍）；

机械强度 92.1 MPa（媲美工程塑料）；

膨胀率低于 5%，保持优异的维度稳定性。

在 60 °C 下电解水测试中，该 COF 膜实现 3.0 A cm⁻² @ 2.3 V 的电流密度，显著优于 Nafion 212（需 2.7 V 方达同电流），并可在强酸环境中稳定运行超 30 天。