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能源短缺已成为制约经济与社会发展的重要问题。化石能源的不可再生性迫使人们发展替代能源。质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种新型绿色能源，具有环境友好、能量密度高的优点。质子交换膜是其核心部件之一，直接影响化学能向电能的转换效率。开发具有高质子传导性和高稳定性的质子交换膜是PEMFC发展的关键。共价有机骨架材料(Covalent Organic Frameworks, COFs)是一种多孔晶体材料，具有结构规整、稳定性高和可修饰性强的特点。本研究基于COFs材料，分别采用与聚电解质共混和质子导体填充的方法，制备质子交换膜，提升质子传递性能。主要研究内容如下：
合成了磺酸型共价有机骨架材料TpPa-SO3H，并作为填充剂与磺化聚醚醚酮(SPEEK)共混得到复合膜。TpPa-SO3H的引入提供了额外的质子传递位点，提高了膜的离子交换容量，形成了界面质子传递通道，进而提升了质子传导率。考察了TpPa-SO3H含量对质子传递性能的影响，测试了不同填充量的复合膜的质子传导率，在100%RH和70℃条件下，SPEEK/TpPa-SO3H-5复合膜的质子传导率达252mScm-1，较纯SPEEK膜提高了2.2倍，复合膜的峰值功率密度和电流密度分别为92.8mWcm-2和377.6mAcm-2，相较于SPEEK纯膜提高了52%，燃料电池的单电池最大功率密度提升了72%。
以三维共价有机骨架COF-300为构筑单元，通过界面聚合的方法制备了三维COF-300膜，并利用COF-300的“呼吸效应”在COFs骨架间(空腔内)填充了丙基咪唑(Pro)。COFs的呼吸效应表现为溶剂响应的几何形状和分子构型变化，在乙醇溶剂中孔径为9.6?，在水溶液中孔径为3.3?。乙醇环境下填充丙基咪唑，COF-300孔呈膨胀状态(expansion)，可增加丙基咪唑填充量；水环境下应用，COF-300孔呈收缩状态(contraction)，可避免丙基咪唑的流失。膜中丙基咪唑增加了质子传递位点，减少膜内质子传递阻力，提升了质子传导率,进而降低离子膜的活化能。此外，COF-300规整孔道形成的纳米通道结构可基于毛细管效应增强保水性能，提升了低湿度下质子传导性能。研究发现，COF/Pro-7膜在100%RH和80℃条件下，质子传导率达到186mScm-1，相较于纯COFs膜性能提升了四个数量级，在40%RH和80℃条件下，质子传导率为80mScm-1。
合成了磺酸型共价有机骨架材料TpPa-SO3H，并作为填充剂与磺化聚醚醚酮(SPEEK)共混得到复合膜。TpPa-SO3H的引入提供了额外的质子传递位点，提高了膜的离子交换容量，形成了界面质子传递通道，进而提升了质子传导率。考察了TpPa-SO3H含量对质子传递性能的影响，测试了不同填充量的复合膜的质子传导率，在100%RH和70℃条件下，SPEEK/TpPa-SO3H-5复合膜的质子传导率达252mScm-1，较纯SPEEK膜提高了2.2倍，复合膜的峰值功率密度和电流密度分别为92.8mWcm-2和377.6mAcm-2，相较于SPEEK纯膜提高了52%，燃料电池的单电池最大功率密度提升了72%。
以三维共价有机骨架COF-300为构筑单元，通过界面聚合的方法制备了三维COF-300膜，并利用COF-300的“呼吸效应”在COFs骨架间(空腔内)填充了丙基咪唑(Pro)。COFs的呼吸效应表现为溶剂响应的几何形状和分子构型变化，在乙醇溶剂中孔径为9.6?，在水溶液中孔径为3.3?。乙醇环境下填充丙基咪唑，COF-300孔呈膨胀状态(expansion)，可增加丙基咪唑填充量；水环境下应用，COF-300孔呈收缩状态(contraction)，可避免丙基咪唑的流失。膜中丙基咪唑增加了质子传递位点，减少膜内质子传递阻力，提升了质子传导率,进而降低离子膜的活化能。此外，COF-300规整孔道形成的纳米通道结构可基于毛细管效应增强保水性能，提升了低湿度下质子传导性能。研究发现，COF/Pro-7膜在100%RH和80℃条件下，质子传导率达到186mScm-1，相较于纯COFs膜性能提升了四个数量级，在40%RH和80℃条件下，质子传导率为80mScm-1。