质子传导在能源和环境科学领域至关重要，因为它在提高能源效率和减轻环境污染方面发挥着重要作用[[1], [2], [3]]。随着全球向更清洁能源的转变，质子交换膜燃料电池（PEMFCs）因其低温运行、高效率和零排放的优势而成为氢能利用的关键技术[4]。燃料电池的效率和性能与质子传导性和质子传导材料的稳定性密切相关。提高这些材料的运行效率可以显著提升燃料电池的能量转换效率，从而减少能源消耗和污染物排放[5]。此外，质子传导材料在水电解[6]、电解质膜[7]和传感器[8]等领域也发挥着重要作用。在水电解过程中，高效的质子传导材料可以降低电解能耗并促进可再生能源的利用[9]。在环境监测和传感器技术中，质子传导材料的高灵敏度和稳定性可以提高传感器的检测性能，并被广泛应用于环境污染检测、生物传感器等领域[10,11]。因此，质子传导材料的研究、开发和应用不仅对提高能源转换效率至关重要，也对环境保护和可持续发展具有重要意义。
质子传导材料的设计是突破技术瓶颈的关键[12]。传统的全氟磺酸膜质子导体（如Nafion）依赖于水分子介导的质子传输机制，这导致其在高温（>100°C）或低湿度条件下的导电性急剧下降，并且成本较高[13,14]。近年来，新型多孔材料如共价有机框架（COFs）[[15], [16], [17]]、金属有机框架（MOFs）[18,19]和氢键有机框架（HOFs）[[20], [21], [22]]在质子传导材料的发展中展现了显著的替代潜力[23]。其中，COFs由于其共价键结构而具有较高的化学和热稳定性，其高度有序的孔结构和易于功能化的特性使其成为出色的质子传导平台[[24], [25], [26], [27]]。引入磺酸基团和膦酸基团等质子供体可以显著提高质子传导性[28]。相比之下，MOFs是通过金属离子与有机配体之间的配位键连接的[29,30]。尽管它们具有较高的设计灵活性，并可以通过选择合适的金属和配体来优化质子传导路径，但由于结构降解，其在极端条件下的应用可能受到限制。HOFs依赖于氢键和π-π堆积等弱相互作用来维持其结构，质子传导是通过氢键网络进行的[31,32]。虽然在一定湿度和温度条件下可以实现高效的质子传导，但其整体结构稳定性较弱，限制了其应用潜力[33]。COFs、MOFs和HOFs在质子传导方面各有优势和局限性[34]。平衡质子传导性、机械强度和耐久性仍然是一个紧迫的挑战，这推动了材料化学和界面工程等跨学科领域的深入融合。
质子传导材料在能源转换和存储设备中发挥着关键作用，包括燃料电池、传感器和仿生质子通道设备[[35], [36], [37], [38], [39], [40]]。作为一类新兴的多孔材料，COFs由于其高度有序的晶体结构、可调的孔径以及优异的化学和热稳定性，在质子传导方面具有巨大潜力[[41], [42], [43]]。目前，用于质子传导的COFs材料主要是二维（2D）结构。它们的层状结构可以形成高度有序的一维（1D）纳米通道（孔径通常在0.9到3.8纳米之间）[44]。然而，堆叠的COF微晶之间的一维通道各向异性会导致质子传导路径的不连续性，严重限制了质子传输及其应用[45]。值得注意的是，调节2D COFs的质子传导维度并开发具有互连通道的三维（3D）COFs可以有效扩展传导路径，突破粉末材料的晶界阻力限制。COFs的独特结构特性也使其适用于气体存储、催化和分离应用[[46], [47], [48]]，尤其是在质子传导领域，这是当前的一个热门研究方向。尽管COFs在质子传导研究方面取得了显著进展，但仍面临许多挑战。
本文旨在总结COFs的结构设计、质子传导机制的研究、质子传导路径的调控以及它们在质子交换膜燃料电池中的性能，以推动质子传导COFs的发展和应用。内容组织如下：首先介绍COFs的合成方法和结构特性。随后深入讨论了多维COFs的质子传导路径调控的思想和方法（图2），并介绍了基于COFs的质子传导机制及其研究技术，以及它们在实际应用中的性能。最后，本文讨论了当前的研究挑战并展望了未来的研究方向。
