天津科技大学轻工科学与工程学院司传领团队在共价有机框架膜能源储存和转换领域取得重要研究进展

近日，我校轻工科学与工程学院司传领教授团队及合作者全面研究了用于能源储存和转换的COF膜关键特征和设计原理，系统阐释了COF膜制备方法和应用之间的相互联系，并从结构设计角度深度分析了COF膜的性能特征和相应的构建策略，重点梳理和展望了COF膜在燃料电池、可充电电池、液流电池、超级电容器、太阳能转换和渗透能转换领域的前沿应用。该工作以题为“Covalent organic framework membranes forenergy storage and conversion”发表在《Energy & Environmental Science》2025年6月第18卷12期，并被遴选为封面文章（Cover）（图1）。天津科技大学青年教师朱礼玉为第一作者，天津科技大学司传领和徐婷教授为共同通讯作者，天津科技大学为第一作者和通讯作者单位。

图1. 该工作被遴选为《Energy & Environmental Science》封面文章

高性能膜材料是新型高效分离技术的核心材料,已成为解决水资源、能源、环境等领域重大问题的共性技术之一。相较于传统聚合物膜因结构无定形性和动态无序性导致的性能缺陷，共价有机框架（COF）材料凭借其刚性晶体骨架、原子级有序的孔道结构、优异的结构可裁剪性和功能可调性，为精准调控离子/分子传输行为提供了独特的设计自由度。COF膜的出现极大地扩展了不溶性和不可加工COF粉末的应用场景，并为其在能量储存和转换领域的应用提供了全新的研究路径。

图2. COFs材料的基本特性及COF膜功能

灵活的孔径调控、孔壁修饰和客体分子掺入是COFs材料在能量储存和转换领域中应用的最大优势。具体而言，可以借助连接键替换、功能基团修饰和离子共价连接等方式赋予COF膜优异的机械强度、可控的厚度以及突出的化学稳定性，从而保证COF膜优异的形态稳定性，这是COF膜成功应用的前提（图2）。

图3. 离子在无机固态电解质、聚合物固态电解质和COF固态电解质的传导机制

对于COF膜的离子传导性而言，主要依靠单体和连接键的设计来实现。与无机材料和聚合物材料相比，离子在无机固体材料中的传输速率在很大程度上取决于其间隙和空位的浓度和分布；离子在聚合物材料中的传输主要取决于聚合物链的迁移率以及离子与聚合物链之间相互作用的强度。而由于固有的开放型纳米通道、独特的有序结构和高孔隙率，合理设计（单体设计、连接键设计和功能基团/侧链设计）的COF膜可以为各种离子的扩散提供足够的空间，从而大大降低离子传输的能量障碍（图3）。

图4. 能源储存和转换COF膜的未来展望

文章也剖析了该领域从基础研究走向实际应用面临的机遇和挑战，特别是COF膜的物理化学性质（如孔径、电荷、稳定性）与合成策略之间的构效关系、纯相COF膜形成过程中的微观转变机制、调控COF膜物化性质的一般规则与方法等仍是研究的重点和前沿。为此，作者建议在未来需要借助先进的表征技术和理论模拟等方式进一步阐明COF膜的结构与膜性能之间的相关性，以深入理解“结构-性能-功能”之间的关联机制（图4）。

近年来，轻工学院司传领教授团队在造纸纤维原料及农林生物质高值利用领域持续开展研究，成果先后在Chemical Society Reviews、Energy & Environmental Science、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials等权威期刊发表。

原文链接：

https://doi.org/10.1039/D5EE00494B

编辑：田珺