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.     

共价有机框架材料催化研究进展

共价有机框架材料(COFs)是一类具有高比表面积、高孔隙率、高结晶度的结构多样性多孔材料.由于COFs具有可设计性、易功能化的特点,可通过"自上而下"或者后修饰策略将具有催化活性的官能团或金属颗粒嵌入到材料骨架当中,从而设计出高效催化剂. COFs已逐渐在多相催化及其它催化领域展现出非常大的应用价值.本文综述了COFs作为催化剂载体在多种催化反应中的合成策略与应用,对COFs催化剂的现状进行了总结与展望,同时指出该领域面临的问题与挑战.     

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。     

咔唑基共价有机框架用于光催化析氢

光催化析氢反应是获得高纯氢气的一种具有广阔应用前景的技术. 目前, 开发经济高效、 经久耐用的催化剂仍然是一个巨大的挑战. 我们以3,3'',6,6''-四醛-9,9''-双咔唑和3,7-二氨基二苯并[b,d]噻吩-5,5-二氧化物为基本构建单元, 通过经典的席夫碱反应, 合成了供体-受体型咔唑基共价有机框架(CZ-COF), 对其结构进行了表征, 并探究了其光催化析氢性能. CZ-COF展现了优异的光催化活性, 平均产氢速率为31 μmol·h^-1.     

共价有机框架材料研究进展

共价有机框架材料是一类具有周期性和结晶性的有机多孔聚合物。共价有机框架材料由轻质元素通过共价键连接,拥有较低的密度、高的热稳定性以及固有的多孔性,在气体吸附、非均相催化、能量存储等研究领域有着广泛的应用潜力,引起了科学界强烈的研究兴趣。本文主要综述了近年来共价有机框架材料的最新研究进展,包括其结构设计、合成、纯化、表征以及在气体吸附,催化及光电等方面的应用,并对共价有机框架材料未来的发展趋势进行了展望。     

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。     

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。     

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.     

卟啉-硫醚基共价有机框架材料用于氧还原反应电催化剂

氧还原反应（ORR）是能进行能量存储的核心电化学过程。由于它的动力学速率缓慢,因此亟需制备出高活性的电催化剂来促进这一反应的速率。二维共价有机框架材料（2D COFs）的π-π堆积结构可赋予骨架高导电率,并且一维有序的孔道有利于促进中间反应体传输。因此,其在可再生能源领域中具有良好的应用前景,并有望作为能量存储与转化的强大催化平台。本文通过向2D COFs中引入金属卟啉单元及硫醚单元成功制备了两个2D COFs （JUC-600和JUC-601）。通过多种表征手段证明,这两个2D COFs均具有AA堆积的sql拓扑结构。通过电化学测试表明,Co²⁺配位的JUC-601具有更正的ORR起始电势（0.825 V）和半波电势（0.7 V）、更高的活性表面积（7.8 mF/cm²）,更低的Tafel斜率（58 mV/dec）。这主要是由于JUC-601的高比表面积和高孔隙率使得中间产物能更易在COFs的表面和孔道中接触和传输。此外,Co²⁺-卟啉单元以及硫醚单元的存在使其骨架整体的电子结构发生了变化,更有利于电子转移。这一工作不仅开发了新的二维卟啉-硫醚基COFs材料,同时也拓展了2D COFs材料在电催化领域的应用。     

共价有机框架材料的离子化改性及其催化合成环碳酸酯的性能研究（英文）

共价有机框架(COFs)材料是继金属-有机框架材料之后,在拓扑学基础上发展起来的又一类多孔材料.这类材料是由轻质元素(C, H, O, N, B, Si等)通过可逆共价键连接而成的结晶性有机多孔聚合物,具有比表面积大、骨架密度低、孔道结构规整、可人为设计以及表面易修饰改性等特点,自2005年首次报道以来就引起了人们的广泛关注.经过十多年的发展,COFs材料已经被广泛用于气体吸附/分离、光电、能量存储、非均相催化等研究领域.由于材料的多孔性以及相对稳定的特点,近年来COFs材料作为催化剂或催化剂载体用于多相催化反应已经成为该领域的一个研究热点.但是到目前为止,COFs材料的离子化改性用于异相催化相关研究还相对较少.本文选择二维骨架中含有羟基基团的H₂P-DHPhCOF作为载体,通过两步接枝反应成功地将咪唑型离子液体引入到COF材料的孔道中;采用红外光谱、核磁共振、粉末X射线衍射、热失重分析等方法详细地表征了COF材料在后修饰过程中的变化.研究发现, 1,4-二溴丁烷与N-甲基咪唑基团的引入占据了部分孔道,导致框架材料的孔径和孔容减小.同时,我们还将该改性后的离子型C...     

离子型共价有机框架材料的合成及其催化性能（英文）

共价有机框架(COFs)材料是在拓扑学基础上发展起来的一类新型有机晶体多孔聚合物.由于COFs材料具有较高的比表面积、良好的热稳定性和化学稳定性、可设计的孔结构以及容易修饰改性的特点,目前广泛用作催化剂或催化剂载体.COFs的构筑单体为有机小分子,其来源广泛且种类繁多,使得构筑单体多样化,便于通过构筑单体来调控目标材料的结构和功能.近年来对COFs的研究已经引起人们广泛关注.离子框架材料在气体分子的吸附与分离领域展示了良好性能,通过简单的离子交换过程,可以容易地将具有特定尺寸和功能的反离子引入到框架结构中来调控孔的尺寸大小,从而实现混合气体的有效分离.然而,在催化领域目前尚未见将具有特定催化功能的反离子基团引入到框架之中,研究离子框架材料的催化性能.本文设计合成了一种负电荷为骨架结构的离子型COFs材料.我们首先选取一种化学结构稳定的COF作为骨架前驱体,其中的单体具有可反应的活性基团酚羟基,然后通过与1,3-丙烷磺酸内酯进行开环反应,将烷基磺酸引入到孔中,经过弱碱处理后得到阴离子型COFs(I-COFs),然后通过简单的离子交换过程将具有催化活性的Mn2+以及[Mn(bpy)2]2+配位阳离子分别引入到COFs框架中,得到具有催化功能的新材料.我们考察了两种I-COFs对烯烃氧化制环氧化合物的催化性能,发现所得离子COFs对不同的反应底物均展示了较高的环氧化催化性能.结果证实了离子I-COF催化反应为多相催化,还表现出I-COFs催化剂具有较高的稳定性以及循环使用性能.我们认为,通过简单的离子交换过程,能够赋予I-COFs材料各种不同的功能,从而实现COFs在不同领域的应用.这为多孔材料的功能化设计提供了新的化学平台.     

Recent advances in metal‐organic frameworks and covalent organic frameworks for sample preparation and chromatographic analysis

In the field of analytical chemistry, sample preparation and chromatographic separation are two core procedures. The means by which to improve the sensitivity, selectivity and detection limit of a method have become a topic of great interest. Recently, porous organic frameworks, such as metal‐organic frameworks (MOFs) and covalent organic frameworks (COFs), have been widely used in this research area because of their special features, and different methods have been developed. This review summarizes the applications of MOFs and COFs in sample preparation and chromatographic stationary phases. The MOF‐ or COF‐based solid‐phase extraction (SPE), solid‐phase microextraction (SPME), gas chromatography (GC), high‐performance liquid chromatography (HPLC) and capillary electrochromatography (CEC) methods are described. The excellent properties of MOFs and COFs have resulted in intense interest in exploring their performance and mechanisms for sample preparation and chromatographic separation.     

Site characteristics in metal organic frameworks for gas adsorption

Metal organic frameworks (MOFs) are a new class of nanoporous materials that have many potential advantages over traditional nanoporous materials for several chemical technologies including gas adsorption, catalysis, membrane-based gas separation, sensing, and biomedical devices. Knowledge on the interaction of guest molecules with the MOF surface is required to design and develop these MOF-based processes. In this review, we examine the importance of identification of gas adsorption sites in MOFs using the current state-of-the-art in experiments and computational modeling. This review provides guidelines to design new MOFs with useful surface properties that exhibit desired performances, such as high gas storage capacity, and high gas selectivity.     

Two-dimensional porphyrin- and phthalocyanine-based covalent organic frameworks

Covalent organic frameworks (COFs) represent an emerging class of porous crystalline materials and have recently shown interesting applications from catalysis to optoelectronic devices. In this review, by covering most of the reported work, we summarized the research progress of two-dimensional (2D) porphyrin- and phthalocyanine-based COFs, with highlighting the synthesis of these 2D COFs via various dynamic covalent reactions and emphasizing their potential applications in different areas.     

Semiconducting covalent organic frameworks: a type of two-dimensional conducting polymers

In recent years,as a new class of two-dimensional polymer,covalent organic frameworks(COFs) have attracted intensive attention and developed rapidly.This review provides an overview of a type of COFs which can be utilized as organic semiconductors.Carefully choosing monomers as the building blocks will bestow different types of semiconducting character on COFs.We summarize the p-type,n-type and ambipolar semiconducting COFs and highlight the effects of π-functional building blocks on the photoconductive behaviors of the semiconducting COFs.     

Tetrazole-functionalized two-dimensional covalent organic frameworks coordinated with metal ions for electrocatalytic oxygen evolution reaction

The search for functionalized covalent organic framework (COF) materials is significant on account of their great promise for frontline applications in various fields. Herein, a novel and convenient tactic is developed to design and fabricate the tetrazole-functionalized COF materials with abundant nitrogen atoms, which can provide active sites, facilitating the incorporation of COFs with metal ions. In particular, a β-ketoenamine-linked COF named COF-TpDb is selected as precursor for postsynthetic modification to introduce the tetrazole moieties to coordinate with metal ions cobalt (Co²⁺) and palladium (Pd²⁺), giving two functional metal-coordinated COFs complexes COF-TpDb-TZ-Co and COF-TpDb-TZ-Pd. The resultant COF-TpDb-TZ-Co displays a higher oxygen evolution reaction activity with a lower overpotential of 390 mV at a current density of 10 mA cm^?2, which is much enhanced compared with COF-TpDb-TZ. The tactic for the fabrication of tetrazole-functionalized COFs with abundant nitrogen atoms implements rational design for the construction of functional COFs and expands the promising application of metal-coordinated COF materials in electrocatalysis.     

A novel channel-wall engineering strategy for two-dimensional cationic covalent organic frameworks: Microwave-assisted anion exchange and enhanced carbon dioxide capture

A novel channel-wall engineering strategy of the porous materials cationic covalent organic frameworks(COFs)is established based on rapid microwave-assisted anion exchange reaction and utilized to prepare a set of new COFs.Due to the interaction between the carbon dioxide(C02)and the acetate anion,the resulting SJTU-COF-AcO shows greatly enhanced carbon dioxide capacity up to 1.7 times of the pristine COF.The effect of the counteranions to CO2 capacity in the cationic COFs is investigated for the first time,which demonstrates that our channel-wall engineering strategy is a promising way to tailor the property of COFs for high CO2 capacity.     

共价有机框架材料在多相催化领域的研究进展（英文）

共价有机框架(COFs)材料是近年来在拓扑学基础上发展起来的一类新型有机多孔聚合物,是有机单体通过可逆共价键连接而形成的晶型多孔材料,具有拓扑结构"可设计"、比表面积大、结构规整、孔道均一、孔径可调节以及易于修饰和功能化等优点.与金属有机框架材料(MOFs)相比,由于COFs是以共价键连接形成空间网络结构,具有较好的热稳定性和化学稳定性,又被称为"有机分子筛".COFs的构筑单体为有机小分子,有机小分子来源广泛而且种类繁多,使得构筑单体多样化,便于通过构筑单体来调控目标材料的结构和功能.自2005年首次报道以来,COFs以其独特的结构和优越的性能,吸引了广大科研工作者的极大兴趣,对其结构设计、可控合成、结构解析以及功能探索成为了研究热点,在气体吸附与分离、光电材料等领域展现出了广阔的应用前景.特别是在催化领域,由于COFs材料的多孔性、敞开的孔道结构、良好的稳定性以及易于修饰的特点,采用COFs作为催化剂以及催化剂载体受到了人们普遍的关注.作为催化剂,COFs可分为本征型催化剂和负载型催化剂.本征型催化剂的设计方法是基于"自下而上"策略将催化活性中心嵌入材料骨架之中;负载型催化剂的设计方法是以COFs为载体,通过后修饰方式负载金属颗粒或离子来构建多相催化剂.本征型COFs催化剂是在分子水平上引入催化活性中心,具有活性位点均匀分散、数量可控的特点,而且COFs规整均一的孔道结构有利于底物的传质,也为择形催化提供了可能;负载型催化剂通过后修饰方式引入催化活性中心,由于COFs以共价键连接,催化剂稳定性较高.COFs载体具有较大的比表面积,使得催化活性位点分散性好,也有利于底物与催化活性位点的结合.本文综述了COFs作为多相催化剂在催化领域的发展状况,按照COFs引入催化活性位点的类别,如单催化位点、双催化位点以及负载的金属纳米粒子进行了细致的阐述,重点讨论了COFs催化剂的设计理念、制备方式、功能化策略、材料的稳定性、催化活性以及选择性等内容.此外,对COFs作为光催化剂以及电催化剂方面的研究也进行了详细的介绍.最后,我们讨论了COFs在未来催化领域所面临的问题及挑战,并展望了COFs在超分子催化以及酶催化等方面的应用前景.     

Gas sorption properties of microporous metal organic frameworks

A low-temperature gas sorption study has been carried out on four three-dimensional microporous metal organic framework (MMOF) structures and two two-dimensional layered structures. The pore characteristics are analyzed based on the argon adsorption-desorption isotherms at 87 K. The results from hydrogen sorption experiments conducted at 77 and 87 K show that all MMOFs have a relatively high hydrogen uptake, with adsorbed hydrogen densities falling in the range of liquid hydrogen. Isosteric heats of hydrogen adsorption data calculated based on the Clausius-Clapeyron equation are consistent with these observations, indicating strong sorbent-sorbate interactions.     

Construction of novel benzoxazine-linked covalent organic framework with antimicrobial activity via postsynthetic cyclization

Organic framework materials have shown increasingly promising applications in biomedicine, such as drug delivery and release. In this work, we first synthesized a new hydroxyl-containing imine-linked two-dimensional covalent organic framework (COF) through solvothermal synthesis. Then, the imine group was converted into a benzoxazine group using a cyclization reaction. The results show that the postsynthetic modification did not change the basic framework of the original COF and did not affect the basic properties of the original COF. At the same time, the new benzoxazine group obtained by cyclization gave the COF good antibacterial activity against Escherichia coli and Staphylococcus aureus. The COF efficiency after cyclization was improved, and its antibacterial activity against both bacteria was over 90% compared with the imine-linked COF. Moreover, the benzoxazine-linked COF crystal structure and pore structures were retained, leaving the drug delivery and release functions unaffected. A benzoxazine-linked COF has never been reported because it cannot be synthesized by a direct reaction method. The work in this paper shows that the COFs that cannot be directly synthesized can be obtained through specific postsynthetic modification reactions. This means that more functional COFs can be obtained based on existing COFs, and the diversity of COF types and their potential applications can be further enriched and expanded.