二维共价有机框架的设计、合成与应用

二维材料以其优异的物理化学性能受到人们的广泛关注.二维共价有机框架(2D COFs)是近年来发展的一类通过共价键连接的多孔有机晶体材料.2D COFs材料的多孔性、结晶性及二维方向的π电子共轭体系、层间有序的π-π柱状堆积,赋予了该材料优良的物理化学性质.通过拓扑结构设计和单体选择制备的2D COFs材料具有密度低、结构有序、比表面积大、孔径尺寸和结构可调等特点,并可以通过后合成修饰、孔穴客体填充或负载、材料复合等方式实现对2D COFs材料的功能化.另外,基于表面合成等方法,还可以在一定的基底表面制备出取向、有序的2D COFs单分子层或薄膜.本文综述了2D COFs材料的分子结构设计及功能化,及其在物质吸附储存和输运、催化、能量存储与转化、光电子学等领域的应用.     

可逆单部件燃料电池双功能催化剂La0.5Sr0.5Co0.2Fe0.8O3的制备及电化学性能研究

利用SBA-15硬模板合成La_0.5Sr_0.5Co_0.2Fe_0.8O₃(LSCF)钙钛矿材料,通过研究LSCF的电化学性能,探究制备溶剂(甲醇/乙醇)对LSCF结构、表面性质及电化学性能的影响。结果表明,乙醇溶剂制备的LSCF具有更大的比表面积和更多的氧空位浓度,从而表现出更高的电导率以及对氧还原反应(ORR)和氢氧化反应(HOR)更好的催化活性。这是因为乙醇溶剂制备的LSCF具有更多的Co²⁺/Co³⁺和Fe²⁺/Fe³⁺电子对,促进了材料的电子传导。此外,对于HOR,电极反应的速率控制步骤(RDS)是吸附的氢原子转移到反应位点;吸附的氧原子在LSCF上的还原是ORR反应的RDS。此外,由乙醇溶剂制备的LSCF组成的可逆单部件电池(RSCC)具有更好的放电和电解水性能。700℃,H₂-30%H₂O燃料下,RSCC的最大功率密度为232.9 m W...     

共价有机框架催化材料:二氧化碳转化与利用

多相催化二氧化碳(CO₂)高效转化为高附加值的精细有机化学品和化工燃料,具有非常重要的研究价值和工业应用潜力。共价有机框架材料(Covalent Organic Frameworks, COFs)由于其高比表面积、有序的孔道结构、高化学和热稳定性、可控的催化位点等特性,在CO₂吸附和转化方面都展现出突出的优势。通过合理的策略从分子水平对其孔道或表面进行改性引入功能性物种或催化活性位点,能够有效实现其对特定反应的选择性调控并提供物质传输的有利微环境,因此COFs材料近年来在CO₂催化转化领域中得到了迅速的发展,也具有良好的应用前景。本文针对近几年COFs材料在CO₂转化为重要化学品的研究领域进行了简要的综述,总结当前存在的问题,并对COFs催化材料今后在CO₂转化领域的发展进行了展望。     

二维金属或共价有机骨架材料的制备及其化学与生物传感应用

随着人们对以石墨烯为代表的二维（2D）纳米材料不断深入与扩展研究,近些年来,以2D金属有机骨架（metal-organic frameworks,MOFs）和共价有机骨架（covalent organic frameworks,COFs）为代表的2D骨架材料引起了人们浓厚的研究兴趣和广泛关注.与其它的中孔或微孔的纳米材料相比,这些有机骨架材料提供了均一的纳米尺寸的孔,并且相较于石墨烯,2D有机骨架材料可以预期性地设计和组装功能化的结构单元,如羧基、氨基、羟基等基团可以通过多样的化学反应人为可控地接枝到骨架上,这些优点有望使2D有机骨架材料成为新一代提高传感界面灵敏度和稳定性的功能材料.本篇综述分别对2D MOFs和COFs进行简单的概述,总结目前以“自下而上”和“自上而下”两种制备2D MOFs和COFs纳米材料的方法并对其做出简单的点评,介绍（2D）MOFs和COFs材料在化学传感和生物传感方面的应用,讨论了2D MOFs和COFs在传感应用中的潜质和关键性问题,并对未来2D MOFs和COFs的应用前景做出了展望.     

室温离子液体法合成新型三维共价有机骨架材料

采用室温离子热法合成了一种氟取代的具有五重贯穿金刚石拓扑结构的三维共价有机骨架材料(COFs), 记为JUC-515. 与高温溶剂热法不同的是, 室温离子液体法具有反应温度和压力低、 反应时间短、 操作简单、 无需催化剂和不产生有机蒸汽污染等优势. 制备的材料具有高度结晶性、 较大的孔隙率和良好的CO₂选择性吸附性能.     

离子液体功能化金属/共价-有机框架材料在催化反应中应用

离子液体（ILs）功能化的金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）材料兼具离子液体和MOFs/COFs的优点，是一种极具潜力的复合催化材料。MOFs和COFs材料固定的孔结构及较大的比表面积为负载高分散催化中心提供了天然的物理空间；多孔结构促使催化剂与反应物充分接触；丰富的孔道有利于运输催化反应底物和产物，进而实现催化反应的高效进行。特别是离子液体片段的引入，可以作为催化活性中心的配体（稳定剂）或分散剂，同时能够有效改善MOFs和COFs材料孔道和活性中心周围的微环境。此外，还可以充分利用离子液体片段在适当的反应条件下转化为氮杂环卡宾配体的特点，在MOFs和COFs材料中引入氮杂环卡宾有机金属配合物。因此，我们对近几年来离子液体功能化的MOFs或COFs催化体系在CO2环加成、CO2还原、C-C偶联、羰基化以及其它有机转化反应中的研究应用进行简要综述。并对复合材料在催化领域的发展进行总结和展望。     

氢键有机骨架材料的研究进展

多孔氢键有机骨架材料(Hydrogen-bonded Organic Frameworks,HOFs)是一类晶态的多孔聚合物,主要是由轻元素(C、H、O、N、B等)组成的有机小分子构筑单元通过氢键,π-π堆积以及范德华相互作用自组装而成。由于其具有较高的比表面积、多孔性、低密度和结构可调控等优势,兼备了金属有机骨架(MOFs,Metal Organic Frameworks)和共价有机骨架(COFs,Covalent Organic Frameworks)两类新型的多孔晶体材料的优点,近年来已经引起科学家们的广泛关注。本文从HOFs材料的基本构筑单元的设计出发,重点介绍了近几年HOFs材料在气体吸附与存储、气体分离以及传感等领域所取得的重要进展,并对该领域未来发展趋势进行了展望。     

基于四硫富瓦烯的无金属共价有机框架材料用于高效电催化析氧反应

共价有机框架(COFs)在电催化析氧反应(OER)中的应用得到了广泛的关注。然而,大多数无金属共价有机框架(COFs)的导电性较差,不利于OER反应。四硫富瓦烯(TTF)是一种良好的电子供体,具有快速的电子转移能力,将TTF整合到共价有机框架骨架中将有助于电子的转移。在此,我们报道了一种基于四硫富瓦烯的二维无金属共价有机框架材料,JUC-630。与不含四硫富瓦烯的同类材料(Etta-Td COF)相比,JUC-630具有较低的过电位(400 mV)和塔菲尔斜率(104 mV∙dec⁻¹)。本研究提出了合理设计功能基元的策略,这有助于大大提高COF材料的OER催化活性。     

偶氮苯功能化的光响应共价有机框架材料

通过后修饰的方法, 在共价有机框架(COFs)材料JUC-500的孔道中引入光敏性的偶氮苯小分子, 合成了具有光热刺激响应的共价有机框架材料JUC-501. 在紫外线和加热作用下, 孔道中的偶氮苯会发生可逆的顺-反异构变化, 对染料污染物甲基橙(MO)表现出优异的可逆吸附与释放性能.     

基于席夫碱反应的共价有机骨架材料

席夫碱共价有机骨架材料（Schiff-base COFs）是根据Schiff-base反应原理缩合形成的一类COFs材料。Schiff-base COFs具有骨架密度低、比表面积大、孔径尺寸可控、有机单体种类丰富、合成方法灵活多样、表面化学性质可功能化,易于引入特定的分子识别位点,以及物理化学稳定性优异等特征。Schiff-base COFs在气体吸附/储存、传感、催化、光电材料和前处理介质等诸多领域有重要的应用前景,成为材料科学领域的研究热点。本文主要综述了近年来Schiff-base COFs材料的合成类型、制备方法,以及该材料在不同领域的应用研究进展。最后,总结了该材料的研究现状并展望了该研究领域未来的发展方向和应用前景。     

锌活化Fe/Co/N掺杂的生物质碳基高效氧还原催化剂

为了推动清洁能源-燃料电池的广泛应用, 迫切需要研发成本低、 原料来源广泛的过渡金属基高效氧还原反应(ORR)催化材料, 来替代目前使用的贵金属铂基催化材料. 本文以铁和钴等非贵金属离子作为催化材料的主要活性位点, 通过金属-羧基/羟基螯合键原位预锚定在具有三维(3D)孔道结构、 富含羧基和羟基以及极易在水溶液中形成凝胶网络的海洋生物质材料海藻酸钠上, 经冷冻干燥得到气凝胶; 然后通过高温碳化, 得到活性位点均匀分布在具有多级孔结构的碳骨架中的高活性、 高稳定的Co/Zn/Fe/N@bio-C-2氧还原催化剂材料, 该催化剂包含2种不同的铁基活性材料(Fe₂O₃和Fe)以及2种不同的钴基活性材料(CoO和Co).利用硝酸锌作为活化剂来改善催化材料的孔道结构, 使制备碳材料的总面积从149.3 m²/g增加到325.3 m²/g. 通过一系列对比实验发现, Fe/Co双活性位点与合适比表面积的协同作用使得Co/Zn/Fe/N@bio-C-2获得了最佳的ORR催化活性.其在0.1 mol/L KOH溶液中起始电位达到0.99 V, 半波电位可达0.87 V.     

多孔骨架固定分子催化剂催化CO2加氢制备甲酸研究进展

近年来, 大气中CO₂含量急剧增加, 导致了严重的温室效应. 将CO₂作为C1资源转化为燃料或精细化学品引起了越来越多的关注. 开发高效、 稳定、 可回收利用的催化剂成为CO₂资源化利用的关键. 在众多的CO₂加氢催化剂中, 功能性多孔骨架材料固定型分子催化剂展示出优异的性能, 成为研究的热点之一. 功能性骨架材料, 如多孔有机聚合物(POPs)、 共价有机骨架(COFs)和金属有机骨架(MOFs), 具有比表面积大、 热稳定性高和可调性等特点, 在设计合成催化剂方面发挥着重要作用. 本文介绍了POPs/COFs/MOFs多孔骨架材料固定分子催化剂的开发及在催化CO₂合成甲酸领域的最新进展.     

高稳定二维联咔唑sp2碳共轭共价有机框架材料用于高效电催化氧还原

化石燃料的过度消耗和环境污染已成为全球面临的主要问题,如何合理开发利用新能源成为我国能源战略中的主要目标.新型能量转换技术是促进新能源发展的关键.目前,以金属-空气电池、燃料电池等为主导的新型清洁电化学能量转换技术在转换效率、经济性等方面均取得了重大突破,极具产业化应用前景.开发高效、稳定、低成本的电化学催化剂是促进清洁能转换装置发展的关键.在此,报道了一种基于联咔唑构筑单元合成的高稳定sp²键型的共价有机框架材料(JUC-557)用于燃料电池阴极氧还原反应(ORR).该材料具有高比表面积、高稳定性等优点,同时也表现出高效的ORR催化性能和组装锌-空电池的应用潜力.此外,该材料相比于贵金属催化剂,也具有低成本、低污染、结构明确、原子和结构精度可控等优势.本研究为构建异质原子高效非金属电催化剂提供了一种新思路.     

聚芳撑乙炔微孔骨架材料的合成及其气体吸附

有机微孔聚合物（MOPs）在气体存储、吸附分离和非均相催化等领域具有优良性质而广受关注.近年来,聚芳撑乙炔微孔骨架材料的研究成为MOPs领域中的热点.分别以三（4-乙炔基）苯胺、甲基三（4-乙炔基苯基）硅烷、苯基三（4-乙炔基苯基）硅烷为基本构筑单元,通过端炔基氧化均聚的方法,制备了三种聚芳撑乙炔微孔骨架材料,研究了结构组成对制备聚合物孔道性能和气体吸附性能的影响.氮气吸附测试结果表明,聚合物的Brunauer-Emmett-Teller （BET）比表面积的范围在602~715 m²·g^-1.由于骨架中含有富氮基团（三苯胺）以及具有较大的比表面积,在1.13 bar/273 K条件下,聚三（4-乙炔基）苯胺（TEPA-MOP）的CO₂吸附能力为1.59 mmol·g^-1.此外,TEPA-MOP和聚苯基三（4-乙炔基苯基）硅烷（TEPP-MOP）具有优良的选择性吸附性能,对CO₂/N₂的选择性吸附分别是69.9和73.2.聚合物TEPA-MOP具有优异的CO₂/N₂的选择吸附性和适中的CO₂吸附能力,因此将在气体吸附与分离方面具有潜在的应用前景.     

共价有机框架在能源存储及转化中的研究进展

共价有机框架（Covalent Organic Frameworks,COFs）是一类由有机结构单元通过共价键连接形成的多孔框架晶体材料,具有密度低、比表面积大和热稳定性高等特点,在分子吸附与分离、传感、催化、光电器件等领域存在着广阔的应用前景.近年来,基于其固有结构特点,二维COFs在能源领域中的应用潜力也逐渐引起了科学界的关注.本文主要综述了二维COFs材料在能源存储（锂离子电池、锂硫电池、超级电容器、燃料电池）和能源转化（水分解反应以及CO₂还原反应）等方面的研究进展,并对其研究前景进行了展望.     

手性樟脑衍生的共价有机骨架材料用作高效液相色谱固定相分离手性化合物

共价有机骨架材料（COFs）作为一种新型的晶体多孔材料,其手性共价骨架材料在手性分离领域具有良好的应用前景。本文以1,3,5-三醛基间苯三酚（Tp）和3,3′-二硝基联苯胺（BD）反应合成出TpBD（NH₂）₂,并以此作为基本共价有机骨架。用（1S）-（+）-10-樟脑磺酰氯对该骨架进行衍生修饰,制备出手性共价有机骨架材料TpBD（NH₂）₂的（1S）-（+）-10-樟脑磺酰氯（Cam）衍生物（TpBD-1S-（+）-Cam）。结果表明,制备的手性共价有机骨架材料TpBD-1S-（+）-Cam能够分离华法林、马来酸氯苯那敏、阿替洛尔、美托洛尔、佐匹克隆、1-（9-蒽基）-2,2,2-三氟乙醇、1,2-二苯乙醇酮、酮洛芬、盐酸美西律和噻吗洛尔共10种外消旋体以及o,m,p-溴苯胺、o,m,p-碘苯胺2种苯系位置异构体,分离效果较好。该材料用作高效液相色谱固定相具有良好的开发潜力和应用价值。     

一种高比表面积共价有机框架材料的合成及药物缓释性能

合成了一种具有较高比表面积(S_BET=1804 m ²/g)的新型二维共价有机框架(COF)材料(JUC-516), 并将其应用于模拟人体体液(SBF)中模拟动物体内的药物缓释, 取得了较理想的效果. 通过Materials Studio模拟、 粉末X射线衍射(PXRD)、 N₂吸附-脱附分析、 扫描电子显微镜(SEM)及傅里叶变换红外光谱(FTIR)等方法表征了所得COF材料的结构, 证实JUC-516是一种基于AA堆积hcb拓扑、 具有高结晶度和球状形貌的共价有机框架材料.     

氮掺杂碳原位锚定铜纳米颗粒用于高效氧还原反应催化剂

与贵金属铂基电化学氧还原反应（ORR）催化剂相比,廉价的非贵金属催化剂引起了广泛的关注。本文以壳聚糖作为一种富含氮和碳元素的生物质资源,利用碳浴法成功制备了氮掺杂碳原位负载铜纳米颗粒（Cu/N-C）催化剂。纯壳聚糖碳化得到的样品N-C的比表面积为67.5 m²·g^-1、平均孔径0.14 nm、平均孔体积8.00 m²·g^-1,与之相比,Cu/N-C比表面积可达607.3 m²·g^-1、平均孔径为2.5 nm、平均孔体积为0.40 cm³·g^-1。通过密度泛函理论（DFT）进行计算表明,Cu(111)/N-C的自由能值低于N-C,更有利于氧还原催化进行。在0.1 mol·L^-1 KOH的介质中,Cu/N-C不仅表现出优异的起始和半波电势（分别为0.96 V和0.84 V）,而且还表现出了优异的抗甲醇性能和稳定性,并且Cu元素掺杂量达到1.67wt.%。     

双水杨醛缩乙二胺烷基钴(Ⅲ)配合物的电化学行为及光谱电化学表征

用循环伏安法研究了双水杨醛缩乙二胺烷基钴(Ⅲ)配合物[RCo(Salen),R=CH₃,C₂H₅,n-C₄H₉,i-C₄H₉]在热解石墨电极上的电化学行为。RCo(Salen)的电化学氧化或还原均为可逆的单电子过程;氧化时钴的价态变化为Co^Ⅲ→Co^Ⅳ,还原时为Co^Ⅲ→Co^Ⅱ→Co^Ⅰ,并伴有Co─C键的断裂和R·自由基的产生。氧化产物和还原产物均不稳定,R影响电化学性质,随着R给电子能力的增强,氧化反应的电位和还原反应的电位均负移。光谱电化学实验的结果提供了进一步的验证。     

卟啉框架材料在光催化领域的应用

卟啉分子对可见光具有较强吸收能力,被广泛应用于光催化和光敏化材料的设计开发。 基于卟啉单元设计构筑框架结构材料,可以借助框架结构的大比表面积和可调控孔结构,实现对卟啉单元光物理化学性质的修饰和调控,达到提高材料光催化量子产率和光催化选择性的目的。 本文综述了卟啉基金属有机框架材料(MOFs)、卟啉基共价有机框架材料(COFs)、以及卟啉基多孔共价有机聚合物(COPs)在光催化领域的研究进展,通过归纳需要解决的关键问题,对卟啉框架材料的未来发展进行了展望。