图3 单相法合成COF纳米片过程中的形貌、化学结构、结晶性变化及溶剂对单相法合成的影响
在反应初始阶段，两种单体即发生了剧烈的聚合反应，单体所对应的核磁峰强度显著降低。由于荷电基团的静电排斥作用，此时产物为松散堆积的无定形聚合物。随着时间延长，基于可逆共价键的修复作用，产物结构演变过程逐渐由动力学主导转变为热力学主导，产物的表面粗糙度逐渐降低，聚合度、结晶度逐渐提高，且由于静电排斥作用，在二次生长过程中层间堆叠生长被抑制，产物呈二维取向生长趋势并最终形成规整的COF纳米片。研究考察了H2O、DMF、DMSO三种常用溶剂，发现DMSO具有良好的单体溶解能力和促进离子解离的能力， 这是获得高体积收率COF纳米片的关键。
图4 COF纳米片组装成膜的结构表征及燃料电池性能
通过溶液浇铸法可将单相法合成的COF纳米片制备成膜。该膜具有超薄的厚度（~25 μm）、良好的机械性能和耐溶剂性能。SEM和GIWAXS表明该膜具有层层堆叠结构、孔道垂直于膜面的结晶取向性。将该膜用作燃料电池质子交换膜，其平面方向几乎不发生溶胀，同时保持了良好的吸水性能，且其离子传导率高出商业质子交换膜Nafion 211 2-5倍，展现出作为下一代高性能离子交换膜的潜力。
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总结与展望
本研究开发了用于离子型COF纳米片合成的单相法。利用电荷排斥效应，在单一液相中实现了COF纳米片的高效合成。该方法摆脱了目前常用的两相法和多相法对相间表面/界面限域空间的依赖，获得了高达18.7 mg mL-1的COF纳米片体积收率。单相法具有高效、简便、可控、通用等特点，为COF纳米片的合成提供了新的平台方法。
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通讯作者简介
姜忠义，天津大学讲席教授。国家高层次人才计划入选者，国家杰出青年基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才，英国皇家化学会会士。科技部重点领域创新团队负责人。国家重点研发项目首席科学家。长期从事膜和膜过程、酶-光偶联人工光合等研究。负责承担了国家重点研发计划项目、国家863重大项目课题、国家基金重点项目、国家自然科学基金重大项目课题、中石油、中石化、中海油委托项目等科研项目。发表SCI论文600余篇，论文被SCI他引29000余次，H因子94。作为第一完成人获省部级科技奖一等奖四项。任Advanced Membranes副主编，Journal of Membrane Science、膜科学与技术等期刊编委。连续入选中国高被引学者（化学工程）榜单、全球高被引学者（化学工程）榜单和全球顶尖前10万科学家榜单。
课题组网站：
http://jiang-lab.com
Michael D. Guiver教授，曾任加拿大国家研究院首席研究员，2014年入职天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室。获得天津市“海河友谊奖”等称号，长期担任国际膜科学领域一流期刊Journal of Membrane Science副主编及多个国际期刊编委。长期致力于高分子材料学，电解质膜，气体分离膜等相关的科学研究工作，所开发的先进膜材料广泛用于燃料电池、气体分离、废水处理等领域。在Nature、Science等国际期刊发表论文250余篇，引用超过22000次，H因子82，拥有国际专利25项，国际学术会议特邀报告160余次。多次入选全球高被引学者榜单和全球顶尖科学家榜单。
