两性离子材料同时拥有等摩尔阳离子和阴离子基团，自20世纪50年代首次合成以来一直在离子吸附分离、储能、抗菌和生命信息监测等诸多领域展现出广阔的应用前景。离子官能团的多样性以及带电基团的空间排列，赋予了两性材料迷人的多功能性，为一种材料实现不同功能提供了无限可能。受限于现有大多数两性离子材料为无定形的高分子，其分子链缠结混乱、排列错综等内在因素导致其微观结构复杂、电荷分布不可控。因此，开发具有结构明确的两性材料能够精准揭示其电荷结构信息并从分子水平上理解其结构-性能关系，这对设计功能导向的两性离子材料有着重要意义。
近年来，共价有机骨架（COF）作为一类结晶多孔材料在多个领域引起了广泛关注。其可调控性的精确骨架结构及可预先设计的开放通道，使COF材料成为探索官能团与性能之间关系的理想平台。在COF骨架中引入阴离子或阳离子位点能显著改善其离子传输性能，已在固态锂离子电池领域展现出应用潜能。然而，同时将阴、阳离子官能团引入到COF骨架中以形成两性离子COF材料的研究尚未有人探索。
两性离子COF作为多孔主体用于气体分离及无水质子传导示意图
近日，西安交通大学化学工程与技术学院马和平研究员课题组，以共价有机骨架（COF）为平台，同时将阴、阳离子官能团引入到COF骨架中以形成两性离子COF材料。这种两性离子概念与COF骨架的结合为设计具备特定功能（气体分离和离子传导）的材料提供了新的思路。两性离子COF骨架中不同电荷的离子官能团能够作为两种极性位点作用于SO2，使其展现出优异的SO2吸附能力（216mL/g，298K）及出色的SO2/CO2分离性能（118）。
两性离子COF对SO2/CO2的吸附分离性能测试
同时，以两性离子COF为主体负载三氮唑、咪唑等质子载体，相反电荷的组合赋予了两性离子COF丰富的离子迁移位点，使其在负载三氮唑、咪唑后实现了优异的无水质子传导性能（4.38×10-2 S/cm，413 K）。其质子解离能理论计算与频率相关的介电分析相结合，进一步深入了解了两性离子COF对提高质子传导性能的作用。因此，该工作中将两性离子与COF骨架的结合可以为COF材料的各类应用开拓更多的可能。
该研究成果以“Zwitterionic Covalent Organic Frameworks: Attractive Porous Host for Gas Separation and Anhydrous Proton Conduction”（两性离子共价有机骨架：有吸引力的多孔主体用于气体分离及无水质子传导）为题发表于国际权威期刊《美国化学会-纳米》（ACS Nano）上，影响因子15.881。西安交通大学化学工程与技术学院为本文唯一单位，博士生傅钰为论文第一作者，马和平研究员为唯一通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基础研究计划等项目的资助，西安交通大学大学分测中心提供了大量测试表征支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c07178