山西
一、研究背景
在“双碳”战略引领下，质子交换膜燃料电池（PEMFCs）作为高效、零碳排放的清洁能源转换装置，是氢能产业发展的核心载体，高性能固态质子导体是制约其产业化的关键材料。金属有机框架（MOFs）凭借可精准调控的多孔骨架、丰富的功能位点，成为新一代极具潜力的固态质子导体材料。基于此，长春理工大学苏忠民教授团队吴雪松副教授联合河北工业大学梁均副教授以及杜塞尔多夫大学Christoph Janiak教授等提出多元配体协同构筑策略，将葫芦[6]脲基准轮烷配体、磺酸基对苯二甲酸功能配体与过渡金属离子自组装，构筑系列拓扑同构葫芦[6]脲基金属有机框架（CUST-Fe、CUST-Co、CUST-Ni），依托骨架中亚纳米尺度人工传质通道实现超高质子传导，相关成果发表于国际顶刊《Journal of the American Chemical Society》上。长春理工大学化学与环境工程学院2020级硕士研究生李颖为论文第一作者，长春理工大学吴雪松副教授、河北工业大学梁均副教授、海南大学韩兴琪博士、德国杜塞尔多夫大学Christoph Janiak教授为论文共同通讯作者。
二、创新设计思路
双功能多配体协同骨架构建
采用吡啶修饰线型轴分子与CB[6]组装阳离子准轮烷配体L2+⸦CB[6]，搭配磺酸基功能阴离子配体STP3⁻，通过溶剂热法与Fe2+/Co2+/Ni2+分别自组装，得到二维层状同构的MOFs，并进一步堆叠为三维超分子框架。CB[6]通过外表面π-π相互作用被牢牢固定于骨架内部，解决传统主客体杂化材料分子溶出、结构不稳定问题。
亚纳米尺度人工传质通道
CUST-M沿c轴形成尺寸约2×6 Å2的一维超微孔通道，孔壁分布配位水、CB[6]的羰基、磺酸基团多重质子供体/受体位点，通道内限域多个结晶水分子，原位搭建并稳定连续的氢键网络。
金属中心微环境精准调控性能
保持完全相同拓扑结构，仅更换二价过渡金属中心，结合原位光谱和DFT理论计算，对比Co、Ni 两种金属对孔道水吸附能力、氢键强度、质子迁移能垒的调控规律，揭示了金属种类与质子传导性能间的联系。
三、核心机理总结
该系列葫芦脲基MOF体现出的超高质子传导性能源于三重协同效应：（1）CB[6]大环羰基位点：富电子羰基氧作为质子跳跃中继站，丰富氢键供体-受体位点；（2）磺酸配体协同作用：强酸性磺酸基团持续解离质子，提升孔道游离质子浓度；（3）Ni²⁺金属中心调控：优化孔道微环境，增强水分子吸附能力、强化孔内氢键网络、降低质子迁移活化能，实现性能跃升。实验与DFT计算表明质子依靠亚纳米通道内连续氢键网络跳跃传递，以Grotthuss机制为主导完成长程输运。
四、研究结论与展望
本工作精准构筑了三例葫芦脲基二维MOFs（CUST-Fe/Co/Ni），依托骨架中亚纳米尺度人工传质通道实现高效质子传输。通过DFT从原子层面阐明金属中心调控氢键网络、质子迁移能垒的内在规律，为大环超分子基晶态质子导体的结构设计、性能精准调控提供了新策略，在质子交换膜燃料电池、湿度传感、离子传输能源器件领域具备广阔应用前景。
该工作受到吉林省教育厅科学研究项目（JJKH20250478KJ）等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c11488
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