背景
质子交换膜（PEM）是燃料电池、液流电池等能源转换与储存器件的核心组件，其质子传导效率、机械稳定性及膜层厚度直接影响器件的运行性能。二维离子型共价有机框架（iCOF）具有高度有序的亚纳米孔道、丰富的质子传导位点及优异的化学稳定性，为构筑高性能质子交换膜提供了理想的材料平台。特别是由高结晶度iCOF纳米片组装而成的自支撑膜，有望形成连续有序的质子传输通道，同时避免传统聚合物黏结剂引入的额外传输阻力。然而，制备兼具超薄结构与良好机械强度的自支撑iCOF膜仍面临挑战，其关键在于实现高质量超薄纳米片的可控制备与致密堆叠。传统平面油水界面聚合虽然能够促进二维COF的有序生长，但有限的反应界面面积限制了材料制备效率。相比之下，微乳液体系能够显著增加反应界面面积，却通常倾向于形成球形或其他纳米颗粒结构，难以获得适合层层组装的超薄iCOF纳米片。因此，如何通过界面结构与生长过程调控，实现超薄iCOF纳米片的高效合成及其自支撑膜构筑，成为推动COF质子交换膜发展的重要研究方向。
创新
近日，大连理工大学贺高红教授团队提出了一种基于高曲率微界面调控的iCOF纳米片合成与组装策略，通过构筑以辛酸为油相的水包油微乳液体系，实现了少层iCOF纳米片的可控生长，并进一步制备出超薄、高强度的自支撑质子交换膜。与传统平面界面聚合不同，高曲率微界面使生长中的iCOF呈现一定的扭曲构型，削弱层间相互吸引，同时增加亲水性磺酸基团与水相的接触，增强溶剂化作用，从而促进少层纳米片从界面剥离至连续水相。研究人员进一步利用辛酸较弱的表面活性，精确平衡iCOF向受限油相内部的层间生长与向连续水相的剥离过程，有效抑制了传统微乳液体系中常见的球形颗粒形成，成功获得厚度仅为1.3–1.5 nm的少层iCOF纳米片。由于超薄纳米片暴露出更多具有反应活性的末端官能团，在真空抽滤产生的压力梯度作用下，纳米片能够实现紧密层层堆叠与层间交联，最终形成厚度为3.2–15.1 µm的自支撑iCOF膜，并成功实现直径20 cm的大面积制备。所得膜在80 °C下的质子电导率达到约340 mS cm⁻¹，约为商业Nafion 212膜的2.1倍。将其应用于H₂/O₂燃料电池时，在80 °C下实现了2017.7 mW cm⁻²的峰值功率密度，并在超过6000 mA cm⁻²的高电流密度下保持约9.5 mΩ的低欧姆电阻，展现出优异的器件性能。
意义
该研究通过高曲率微界面工程实现了二维iCOF纳米片生长、剥离与层间组装过程的协同调控，为高性能自支撑COF膜的构筑提供了新的材料制备策略。其核心创新不仅在于突破传统微界面聚合倾向于形成纳米颗粒的形貌限制，更在于揭示了界面曲率、层间相互作用及溶剂化行为对二维框架材料生长方式的重要影响。通过调控纳米片厚度与表面活性位点暴露程度，该策略进一步将少层纳米片的结构优势转化为高效层间堆叠与交联能力，在无需聚合物黏结剂的条件下，实现了膜层厚度、机械稳定性及质子传输性能的协同优化。与此同时，大面积膜的成功制备与燃料电池中的优异表现，也展示了该方法从纳米材料合成向实际膜器件应用拓展的潜力。总体而言，该工作为二维COF材料的界面限域生长与可控组装提供了新的设计思路，也为开发兼具超薄结构、连续传输通道及高机械稳定性的下一代质子交换膜开辟了新的研究方向。
