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新型共价有机框架膜材料突破能源储存与转换瓶颈——记天津科技大学轻工科学与工程学院司传领团队的重要研究进展

新型共价有机框架膜材料突破能源储存与转换瓶颈——记天津科技大学轻工科学与工程学院司传领团队的重要研究进展

天津科技大学轻工科学与工程学院司传领教授团队在共价有机框架(COFs)膜材料的能源储存与转换领域取得了突破性研究进展。该团队成功开发出一种高性能新型膜材料,其独特的结构设计与可控制造工艺,为下一代高效、稳定的能源储存与转换系统提供了关键材料支撑。

共价有机框架(COFs)是一类由有机单元通过共价键连接形成的、具有高度有序孔道结构的晶态多孔材料。因其结构可设计性强、比表面积高、孔道尺寸可调及稳定性好等优势,在气体分离、催化、传感及能源领域展现出巨大潜力。将COFs材料制备成具有优异机械性能、高离子/分子选择性及长期运行稳定性的实用化薄膜,一直是该领域面临的核心挑战。

司传领教授团队针对这一难题,创新性地开发了一种界面聚合与后修饰协同的策略,成功构筑了兼具高结晶度、优异机械强度和精密可控孔道结构的新型COFs膜。该制造方法的关键在于,团队通过精确调控单体反应动力学与界面条件,实现了COFs层在基底上的均匀、致密生长,同时通过巧妙的化学后修饰,进一步精细调控了膜表面的化学性质与孔道微环境。

在能源储存与转换应用方面,该新型COFs膜表现卓越。研究结果表明:

  1. 在锂硫电池中:该膜作为功能性隔膜,其精准设计的纳米孔道能有效抑制多硫化物的穿梭效应,同时其表面官能团促进了锂离子的均匀沉积,显著提升了电池的循环寿命与库伦效率。
  2. 在燃料电池与电解水领域:该膜材料表现出优异的质子或氢氧根离子传导能力,以及良好的气体阻隔性能,为开发高效率、低成本的膜电极组件提供了新方案。
  3. 在液流电池中:其高度有序且尺寸均一的孔道结构,能够实现对特定活性离子的高效、选择性传输,有效降低了交叉污染,提升了电池的能量效率与稳定性。

这项研究不仅提供了一种可扩展、可控的新型COFs膜材料制造方法,更从分子层面揭示了膜结构(如结晶度、孔道尺寸、表面化学)与其在能源器件中性能之间的构效关系,为面向未来的高性能能源材料的理性设计提供了重要的理论依据和实践指导。

司传领团队的研究进展,标志着我国在高端功能膜材料基础研究与制备技术方面取得了重要突破。该成果有望推动共价有机框架材料从实验室走向实际应用,加速其在清洁能源、高效储能等关键领域的产业化进程,为我国实现“双碳”战略目标贡献重要的科技力量。目前,该团队正致力于进一步优化材料制备工艺,并探索其在更广泛能源技术中的应用潜能。

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更新时间:2026-02-27 04:33:24

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