共价有机骨架的设计、制备及应用

共价有机骨架(COF)材料是一类由共价键连接有机构筑单元而形成的结晶型有机多孔材料。COF因其长程有序的结晶结构,以及可设计性、可剪裁性和易功能化的特点,表现出优异的物理化学性质,赢得了科学家们的广泛关注和研究。基于COF材料特定的拓扑结构、多样的单元组成、可调的孔道性质和灵活的功能开发,COF材料在气体存储、非均相催化、传感检测、光电转换、质子传导、储能等方面体现出重要的应用价值。本文从COF材料的设计、制备以及应用等方面,综述COF材料领域的发展和现状,并对其研究和应用前景进行展望。     

二维共价有机框架薄膜的近红外电致变色性质研究

正共价有机框架(COF)材料是一类由共价键连接的有机多孔结晶材料。COF材料具有良好的稳定性和可设计性,在近十余年来引起了研究人员的广泛关注~(1,2)。为了规避COF材料粉末较难溶解和加工的问题,直接制备薄膜形态的COF材料具有     

共价有机框架材料催化剂

共价有机框架材料（covalent organic frameworks, COF）是功能材料领域研究的热点之一。COF具有孔道结构高度有序、孔径可调、比表面积较大、合成方法多样和易于功能化修饰等优点,是一类新兴的多相催化剂。目前,COF催化剂主要设计思路是：基于“自下而上”策略将非金属催化活性中心嵌入材料骨架来构筑本征型COF催化剂,或者以COF为载体,通过后修饰方式负载金属颗粒或离子构建多相催化剂。鉴于COF以上优势,预计COF催化剂在多相催化和手性催化领域中的应用也将取得更大的进展。本文综述了COF催化剂的合成和功能化策略,并展望了COF在多相催化领域中的应用前景。     

共价有机框架薄膜的界面生长策略及其在忆阻器中的研究进展

随着大数据和物联网时代数字通信技术的飞速发展,忆阻器在高密度数据存储技术和神经形态计算等应用中扮演着越来越重要的角色.得益于共价有机框架(COF)材料优异的可设计性及独特的光电特性,同时,伴随着液体界面辅助的制备策略不断发展与完善, COF材料在存储器件中的应用得到了极大推广.为了开发更高性能的基于COF材料的存储器件,需要全面地了解从材料设计、制备到器件应用的不断发展.因此,本综述系统地总结了COF薄膜的制备策略及其在忆阻器中应用的进展.最后,我们对基于COF存储器件的当前挑战及未来发展进行了总结与展望.     

共价有机框架COF66/COF366的电子结构:从单体到二维平面聚合物

二维共价有机骨架(COFs)是由有机小分子结构单元通过共价键连接形成的一类新型的、具有周期性多孔网络框架结构的结晶性聚合物,在未来的光电功能材料领域有着优异的应用前景.因此,研究COFs结构与性质之间的内在关系,并以此反馈分子设计,将对此类光电功能材料的发展有着至关重要的意义.以共价有机框架66(COF66)和共价有机框架366(COF366)为例,分析了有机构建单元、COFs片段分子和周期性二维平面聚合物前线轨道能级/分布以及电子性质,阐述了有机构建单元与COFs电子结构之间的内在关系.计算结果表明,有机构建单元小分子的几何构型会影响其二维周期性平面聚合物的结构.另外,有机构建单元自身的前线轨道能级的相对位置会直接影响到COFs片段分子前线轨道的能级和分布,也决定了片段分子的电离势和电子亲和能.COFs周期性结构的电子性质与片段分子相似.因此,有机构建单元的前线轨道能级以及匹配情况决定了COFs周期性结构的电子性质.除此之外,中心分子和连接分子之间的共轭相互作用越大,电子耦合作用也相应较大,价带顶和导带底则会相对比较分散,会更有助于载流子在二维平面结构内的迁移.     

基于醌基的共价有机框架用于电催化析氧反应

将蒽醌作为构筑单元设计合成了醌基功能化的新型2,6-二氨基蒽醌共价有机框架(DAAQ-COF). 粉末X射线衍射、 氮气吸附-脱附、 红外和热重等分析结果表明, DAAQ-COF具有高的结晶度和比表面积(577 m²/g). 此外, 醌基功能化的无金属DAAQ-COF显示出高的析氧反应(OER)活性(10 mA/cm²下, 过电位389 mV, Tafel斜率135 mV/dec). 这源于引入的醌基基团有效改变了COF框架的电子结构和化学特性, 加上COF材料本身的高结晶度和比表面积, 使得反应物能更有效地与活性位点接触, 从而促进OER进程. 这些结果表明合理地设计功能化的COF材料能够进一步推动此类材料在电催化领域的应用.     

共价有机框架材料在固定化酶及模拟酶领域的应用

共价有机框架(Covalent Organic Frameworks, COFs)是一类由轻质元素通过可逆共价键连接而成的晶型多孔有机材料。因具有高比表面积、低密度、规则的孔隙和易于功能化等独特的性能和结构,COFs在气体吸附、化学传感和非均相催化等领域有着广泛的应用前景。近年来,COFs逐渐显现出在固定化酶和模拟酶领域的应用潜力,由于可以轻松定制COF上的官能团以保持COF与酶之间的特定相互作用,因此COF成为有吸引力的酶固定基质。此外,COF的连续且封闭的开放通道为渗透酶提供了良好的微环境。同时,探索了COF模拟酶的特征,通过“从下到上”的方法或后修饰策略设计了COF模拟酶。这不仅扩展了固定化酶载体材料的研究和应用范围,还为模拟酶仿生催化提供了新的研究思路。本文综述了COFs固定化酶和作为纳米材料模拟酶(纳米酶)在生物催化领域的研究进展,详细讨论了COFs载体的合成和功能化策略、固定化酶方式,以及COFs纳米酶的设计理念、催化活性和选择性等内容。最后总结了目前COFs在酶催化领域所面临的挑战和未来发展的机遇。     

MOF-COF框架杂化材料

金属有机框架(MOF)和共价有机框架(COF)材料是两种多孔的晶态材料,具备较大的比表面积、高的孔隙率,结构合成修饰方法丰富,因此在析氢、析氧、CO₂还原、有机物降解、气体分离等多个方面都有应用前景。但MOF、COF自身仍有许多缺点,如MOF在水溶液中不稳定,结构易塌陷,COF无金属节点,功能较简单,催化性能有待进一步提高等。近年来,MOF-COF核壳杂化材料结合两种材料的优势解决各自的一些缺陷,有广泛的应用潜力,作为新的发展方向受到了关注。本文从MOF-COF杂化材料的类型、合成方法、应用等三个方面综述了近些年来MOF-COF材料的发展状况,并做出了展望。     

阳离子共价有机框架对水中非甾体药物的强化去除

以三醛基间苯三酚(TFP)和溴化乙锭(EB)为单体, 在溶剂热条件下合成了一种二维β-酮烯胺类阳离子型共价有机框架(COF)材料. 所得TFP-EB COF呈现出良好的结晶度、 高的比表面积和丰富的溴化乙锭单元, 故可将其应用于水中非甾体抗炎药(NSAIDs)的去除.阳离子TFP-EB COF对双氯芬酸钠(DCF-S)和对氨基水杨酸钠(PAS-S)两种非甾体抗炎药表现出高的吸附能力和快的吸附动力学, 其饱和吸附容量分别可达350.4和145.3 mg/g. 而采用TFP与4,4'-二氨基联苯(BND)在类似条件下合成的中性TFP-BND COF则表现出较差的吸附性能, 其对DCF-S和PAS-S的饱和吸附容量分别仅有59.7和13.6 mg/g. TFP-EB COF的吸附性能比TFP-BND COF更优异, 这主要归因于TFP-EB COF孔道中存在的大量阳离子EB单元与NSAIDs中的羧基间存在强烈的静电作用. 此外, 竞争离子干扰和循环再生实验表明阳离子型TFP-EB COF在NSAIDs污染物的去除方面具有良好的应用前景.     

手性共价有机框架材料的研究进展与应用

共价有机框架材料(covalent organic frameworks, COFs)是一类是由各种有机小分子单体通过共价键有序连接而成的有机多孔材料.手性是一种在自然界中普遍存在的现象,手性化合物在医学、药学、农业等方面有重要应用.近几年,手性COFs引起了广大科研工作者的注意.手性COFs由于具有永久多孔、隧道型孔道、结构可预测、结构稳定、可循环利用等特点,在手性催化、手性分离等领域具有广泛的潜在应用.合成手性COFs材料的一种方案是通过各种不同的手性构筑单元直接连接而成,所以通过设计不同结构的手性构筑单元和合成具有功能性基团的手性单体可以得到结构多样的手性COFs材料.手性COFs材料的另一种合成方案是利用后修饰的方法将金属粒子或者有机小分子修饰到手性COFs骨架上从而对结构进行功能性调控.     

苯并噻二唑单元在聚合物光伏材料设计中的应用

聚合物太阳能电池因其易于加工、可制备成柔性器件、材料来源广泛等优点得到材料界和能源界的广泛关注。有机太阳能电池效率的不断提高主要得益于材料的发展和电池器件结构的优化。从材料设计角度考虑,种类众多的给体和受体单元被开发用来构建有机共轭分子,其中,苯并噻二唑单元由于共轭平面较大和吸电子性较强的特性被广泛用于构建高性能的有机太阳能电池材料。基于此,本文首先介绍了苯并二噻吩单元及其衍生物常见的合成方法,随后总结了其在构建聚合物给体方面的应用,最后对其后续发展方向和前景提出了展望。     

有机微纳米材料的设计策略、加工及应用

有机微纳米材料是一类新型的材料体系,具备了传统体相有机材料诸多特点,同时由于尺寸效应表现出独特的物理化学特性,因而在最近几年引起了广泛的关注。相比传统的无机微纳米材料体系,有机微纳米材料构筑单元选择广泛、可调控性强、加工成本低以及易于大规模加工,目前已被应用在有机场效应晶体管、有机光伏太阳能电池等方面。本文总结了有机微纳米材料的加工方法,利用超分子化学的概念探讨了有机微纳米材料的分子设计思路,以及有机微纳米材料的生长机理,并介绍了其相关应用。     

含磷有机电致发光材料*

有机电致发光材料是有机电子学和光电信息功能材料领域的研究热点之一,在有机π共轭体系中引入杂原子是一种有效调节材料光电性能的手段。磷原子既可以通过其d轨道与π共轭体系间的σ-π相互作用来改变材料的电子结构,又具有很好的可修饰性,如被氧化、硫化或与金属配位等,从而能有效地调控材料的光电性能。因此,磷原子的引入为有机光电功能材料的分子结构设计和光电性能改善等方面的研究提供了广阔的空间,近年来得到了研究者较多的关注。本文根据引入磷原子的不同方式,综述了磷杂环戊二烯、二噻吩并磷杂环戊二烯、磷芴以及磷杂聚苯撑乙烯等材料的结构特点和在有机电致发光材料方面的研究现状,展望了含磷有机电致发光材料的应用前景和发展趋势。     

二维共价有机框架材料中引入含氮配体用于络合金属催化（英文）

共价有机骨架材料(COF)也被称为"有机分子筛",具有孔道结构开放有序、易于进行化学修饰改性、化学/热稳定性好等优点,是一种新型的有机聚合物多孔材料.近年来,以COF材料为催化剂载体负载金属化合物用于制备多相反应催化剂已经成为材料领域研究的热点,表现出高活性和高选择性.但是到目前为止,仍未找到简单有效地控制骨架中金属负载量和分散性的方法,这已成为该领域一个具有挑战性的课题.本文以2,2’-联吡啶-5,5’-二甲醛作为其中一个结构基元,成功把联吡啶配体引入到二维材料中.除此之外,由于COF是以亚胺键联接构筑形成的,因此框架中同时存在联吡啶和亚胺键两种含氮配体.我们通过红外光谱、结构模拟、元素分析、热失重分析、透射电镜(TEM)、X-射线光电子能谱、电感耦合等离子体色谱等手段详细表征了所制备的二维共价有机框架材料对醋酸钯(Pd(OAc)_2)分子的络合负载行为.研究发现,联吡啶和亚胺键均可参与配位Pd(OAc)_2,与亚胺键配位的Pd(OAc)_2分布于框架的层与层之间,而与联吡啶配位的则部分占据了框架的孔道,导致孔径减小.另外,由于框架中的联吡啶配体含量可通过加入2,2’-联吡啶-5,5’-二甲醛含量的变化实现线性调控,因此也可调节与其配位的Pd(OAc)_2含量,其负载量可控制在14.3–18.7 wt%,是目前已报道的二维COF中的最高值;另外,COF材料中调控金属负载量尚未见报道.TEM结果显示,负载在框架中的催化剂分子没有发生团聚,框架的孔道仍处于开放状态,因而反应底物可以自由地出入一维孔道并与络合的催化剂充分接触.另外,由于催化剂在框架内部可以达到分子级别的分散,而且其负载量和负载位置都易于控制,因而对有机反应表现出了优异的催化性能.我们尝试了以不同Pd负载量的COF为多相催化剂催化Heck反应.结果发现,Pd(Ⅱ)@75%BPy COF(Pd负载量为最高值18.7 wt%)的催化活性最高,对不同底物均表现出优异的催化性能,产率达73–96%,反应速率遵循一级动力学曲线.且催化剂经多次循环利用仍能保持高活性,框架的有序结构也未被破坏,因此该材料有望用于各种类型优异的多相反应催化剂.     

储能电池有机电极材料改性策略研究进展

有机电极材料因其成本低、资源丰富、环境友好、可设计性等优势,成为具有发展潜力的二次电池候选电极材料。目前,种类丰富的有机电极材料已应用在各种金属离子电池体系,然而有机电极材料的商业化应用仍面临着诸多挑战,如本征电导率低、在有机电解液中溶解度大、放电电位低等。针对有机电极材料的技术瓶颈,大量研究聚焦在有机电极材料结构、工艺、尺度等改性优化方面。本文回顾有机电极材料的发展历程和应用,并总结其分类、反应机理及主要问题和挑战,进而详细综述有机电极材料已报道的改性策略,包括分子结构修饰、复合导电碳、纳米尺寸优化、电极-电解液耦合与制备工艺优化等方法,分析各改性方法优势和局限性,最后对未来有机电极材料改性研究方向进行展望,为今后有机电极材料的设计与研究提供参考。     

多孔有机框架材料在真菌毒素分离富集与检测中的研究进展北大核心CSCD

真菌毒素是真菌产生的一类有毒的次级代谢产物,对人体具有致癌、致畸、致突变等严重危害,已引起世界范围的广泛关注。因此,建立准确、快速、灵敏的真菌毒素检测方法具有非常重要的意义。色谱法是常用的检测真菌毒素的方法,但由于真菌毒素种类繁多,分布范围广泛,样品基质复杂,且各类真菌毒素在实际样品中含量极低,难以对其进行直接分析。因此,发展适宜的样品前处理方法,并用于真菌毒素的高效分离富集是必不可少的步骤。近年来,以金属有机框架(MOF)、共价有机框架(COF)为代表的多孔有机框架材料因具有大的比表面积、高的孔隙率、可调的孔径、多样的框架结构、活性位点分布均匀、结构可修饰等优点被广泛应用于真菌毒素的样品前处理领域。同时,这些优点赋予MOF/COF材料以优异的荧光性质、电化学性质,使其在真菌毒素的分析传感等领域也得到了广泛关注。本文针对近年来MOF/COF材料在真菌毒素分离富集中常用的样品前处理方法(固相萃取、分散固相萃取、磁固相萃取、免疫磁珠分离)中的应用进行了综述。同时,针对MOF/COF材料在真菌毒素荧光传感、电化学传感中的研究进行了总结。最后,对存在的问题及未来的发展趋势进行了讨论与展望,为进一步探索MOF/COF材料在真菌毒素中的应用提供参考。     

二维共价有机框架材料中引入含氮配体用于络合金属催化

共价有机骨架材料(COF)也被称为“有机分子筛”,具有孔道结构开放有序、易于进行化学修饰改性、化学/热稳定性好等优点,是一种新型的有机聚合物多孔材料.近年来,以COF材料为催化剂载体负载金属化合物用于制备多相反应催化剂已经成为材料领域研究的热点,表现出高活性和高选择性.但是到目前为止,仍未找到简单有效地控制骨架中金属负载量和分散性的方法,这已成为该领域一个具有挑战性的课题.
　　本文以2,2’-联吡啶-5,5’-二甲醛作为其中一个结构基元,成功把联吡啶配体引入到二维材料中.除此之外,由于COF是以亚胺键联接构筑形成的,因此框架中同时存在联吡啶和亚胺键两种含氮配体.我们通过红外光谱、结构模拟、元素分析、热失重分析、透射电镜(TEM)、X-射线光电子能谱、电感耦合等离子体色谱等手段详细表征了所制备的二维共价有机框架材料对醋酸钯(Pd(OAc)2)分子的络合负载行为.
　　研究发现,联吡啶和亚胺键均可参与配位Pd(OAc)2,与亚胺键配位的Pd(OAc)2分布于框架的层与层之间,而与联吡啶配位的则部分占据了框架的孔道,导致孔径减小.另外,由于框架中的联吡啶配体含量可通过加入2,2’-联吡啶-5,5’-二甲醛含量的变化实现线性调控,因此也可调节与其配位的Pd(OAc)2含量,其负载量可控制在14.3–18.7 wt%,是目前已报道的二维COF中的最高值;另外, COF材料中调控金属负载量尚未见报道. TEM结果显示,负载在框架中的催化剂分子没有发生团聚,框架的孔道仍处于开放状态,因而反应底物可以自由地出入一维孔道并与络合的催化剂充分接触.另外,由于催化剂在框架内部可以达到分子级别的分散,而且其负载量和负载位置都易于控制,因而对有机反应表现出了优异的催化性能.
　　我们尝试了以不同Pd负载量的COF为多相催化剂催化Heck反应.结果发现, Pd(II)@75%BPy COF(Pd负载量为最高值18.7 wt%)的催化活性最高,对不同底物均表现出优异的催化性能,产率达73–96%,反应速率遵循一级动力学曲线.且催化剂经多次循环利用仍能保持高活性,框架的有序结构也未被破坏,因此该材料有望用于各种类型优异的多相反应催化剂.     

氨基酸功能化晶态多孔聚合物的研究进展

以金属有机框架(metal-organic frameworks, MOFs)和共价有机框架(covalent organic frameworks, COFs)为代表的晶态多孔聚合物,具有高比表面积、多样的结构、开放的孔道、丰富的官能团、易功能化等特点,在气体储存和分离、催化、储能、光电器件等领域都有着广泛的应用前景.氨基酸是构成多肽和蛋白质的基本结构单元,不仅具有重要的生物学功能,还在药物生产、生物降解塑料、手性催化剂等工业应用中发挥重要作用.将氨基酸引入到MOFs和COFs体系中,可赋予其柔性化骨架、特殊的孔道环境、手性识别位点等特征,并且在一定程度上提高框架材料的生物相容性、可降解性,进一步丰富晶态多孔聚合物的功能和应用.本综述概括了利用氨基酸功能化MOF和COF材料的制备策略,主要包括以氨基酸及其衍生物作为构筑单元、骨架共价修饰氨基酸、以氨基酸作为调节剂;并重点介绍了这些材料在手性拆分、催化、吸附以及质子传导等领域的应用.最后,本综述分析了当前氨基酸功能化的晶态多孔聚合物面临的困难与挑战,并对其未来研究方向进行了展望.     

有机或金属-有机二维纳米材料的制备与应用（英文）

对石墨烯等二维材料的研究进一步引发了人们对相似结构的其他有机、金属-有机二维层状纳米材料的浓厚兴趣.这些二维材料由于其优异的化学可剪裁性而受到关注,预期未来在电子器件、催化和小分子分离等方面具有广泛的用途.这篇综述系统地介绍了目前制备有机基二维材料的自上而下和自下而上的两大类方法,总结了有机基二维材料在生物识别、小分子分离和纯化以及电学方面的应用,最后讨论了有机基二维材料目前在制备和性质改进方面面临的问题和未来可能发展的研究方向.     

有机或金属-有机二维纳米材料的制备与应用

对石墨烯等二维材料的研究进一步引发了人们对相似结构的其他有机、金属-有机二维层状纳米材料的浓厚兴趣. 这些二维材料由于其优异的化学可剪裁性而受到关注, 预期未来在电子器件、催化和小分子分离等方面具有广泛的用途. 这篇综述系统地介绍了目前制备有机基二维材料的自上而下和自下而上的两大类方法, 总结了有机基二维材料在生物识别、小分子分离和纯化以及电学方面的应用, 最后讨论了有机基二维材料目前在制备和性质改进方面面临的问题和未来可能发展的研究方向.