共價有機骨架（COFs）材料是一類具有高孔隙率、低密度和高比表面積的晶態(tài)材料，其結(jié)構(gòu)由有機分子通過共價鍵構(gòu)建。COFs材料因其獨特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力，如催化應(yīng)用、氣體存儲與分離、電池材料、傳感器、水處理與環(huán)境治理、生物醫(yī)藥領(lǐng)域等。

今天樂小豹精選了近期部分代表性研究，帶您一覽COFs材料在催化領(lǐng)域的前沿動態(tài)：
 

鈾作為一種關(guān)鍵的核燃料資源，同時也是放射性環(huán)境污染物，廣泛存在于各種水體中，包括低濃度的礦井廢水（約5ppm）和海水（約3ppb），以及高濃度的放射性廢水（如某些核工業(yè)廢水中的濃度可達(dá)10^2ppm）。因此，從水體中提取鈾不僅在清潔能源領(lǐng)域具有重要意義，在環(huán)境保護方面也發(fā)揮關(guān)鍵作用。

圖1.BTz-COF和BT-COF的合成和光學(xué)照片示意圖
圖源：Applied Catalysis B: Environment and Energy, DOI:10.1016/j.apcatb.2024.124939

該研究中，陽仁強/李明杰團隊通過合成兩種基于β-酮烯胺連接的COFs，BTz-COF和BT-COF，分別以苯并三唑和苯并噻二唑為構(gòu)建單元，研究了它們在不同pH條件下的鈾吸附能力和光催化產(chǎn)氫效率。BTz-COF表現(xiàn)出優(yōu)異的鈾吸附能力，最大吸附量達(dá)到1.86g g?1，且在pH 3-9范圍內(nèi)均具有良好的吸附性能。光催化產(chǎn)氫實驗表明，BTz-COF在可見光照射下表現(xiàn)出高效的氫氣生成能力，最大產(chǎn)氫速率為34.53μmolh?1，顯著高于BT-COF。通過光致發(fā)光（PL）和瞬態(tài)光電流測試，揭示了BTz-COF中電子-空穴對的分離效率更高，且在光催化過程中，鈾離子被還原為不溶性UO?，作為助催化劑進(jìn)一步促進(jìn)了氫氣的生成。此外，BTz-COF在多次循環(huán)實驗中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)使用性。

圖2來源：Applied Catalysis B: Environment and Energy, DOI:10.1016/j.apcatb.2024.124939

綜上所述，BTz-COF不僅在鈾捕獲方面表現(xiàn)出高效性和廣泛的應(yīng)用潛力，還在光催化產(chǎn)氫方面展示了優(yōu)異的性能，為鈾回收和高效產(chǎn)氫提供了一種綠色、低成本的解決方案。
 

接下來這篇文章，樂小豹給大家介紹一種神奇的材料——液態(tài)多孔COF，它不僅會“呼吸”，還能在很多領(lǐng)域大顯身手。

眾所周知，多孔液體內(nèi)部擁有大量的孔隙，氣體分子可以吸附在這些孔道中，就像吸附在海綿上一樣，從而可以顯著增加氣體在液體中的溶解度。基于此，中科院福建物質(zhì)所的研究者通過在COF外表面修飾-離子交換的方法，制備了首例室溫下液態(tài)COF材料（COF-301-PL）。

圖3.多孔液態(tài)COF材料的設(shè)計合成與示意圖
圖源：National Science Review，DOI:10.1093/nsr/nwaf032

這種液態(tài)COF材料神奇的地方在于，它的孔隙可以像呼吸一樣，隨著外界環(huán)境氣壓的變化而動態(tài)調(diào)整。當(dāng)有大量氣體分子進(jìn)入到孔道時，孔隙會張開“迎接”它們；而當(dāng)氣體分子離開時，孔隙又會閉合“送別”它們。正是基于這個原因，COF-301-PL繼承了多孔主體框架的“呼吸”能力，因此在高壓環(huán)境下展現(xiàn)出顯著增強的CO₂吸附與催化轉(zhuǎn)化性能。

圖4.COF-301-PL與不同吸附質(zhì)對CO2的催化轉(zhuǎn)化能力
圖源：National Science Review，DOI:10.1093/nsr/nwaf032

在以CO₂與環(huán)氧氯丙烷為底物的模型反應(yīng)中，COF-301-PL展現(xiàn)出對于CO₂顯著增強的催化轉(zhuǎn)化性能。與COF-301固體粉末或PEGS液態(tài)客體溶劑相比，其對于CO₂的轉(zhuǎn)化效率提升了17倍與24倍。此外，通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，與無孔的液態(tài)客體溶劑PEGS相比，COF-301-PL在提升外加環(huán)境壓力時，其對CO₂的轉(zhuǎn)化效率會隨環(huán)境壓力的增加而產(chǎn)生顯著的增量。

綜上，液態(tài)COF材料的出現(xiàn)，為多孔材料領(lǐng)域帶來了新的發(fā)展機遇。隨著研究的深入，液態(tài)柔性多孔材料將會在科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域取得更多突破，進(jìn)而在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
 

二維共價有機框架 （2D-COF） 引起了人們對太陽能到氫氣轉(zhuǎn)化的廣泛興趣。然而，光捕獲不足和困難的激子解離嚴(yán)重限制了 COF 光催化活性的提高，從而阻礙了這一先進(jìn)領(lǐng)域的發(fā)展。

在這項工作中，首次通過 Knoevenagel 縮聚構(gòu)建了兩個帶有三嗪 （COF-JLU44） 和芘 （COF-JLU45） 單元的苯并并異惡唑橋接和完全共軛的 2D-COF，它們具有長程有序結(jié)構(gòu)、基本可接受的表面積和迷人的光電特性。

圖5.上圖為材料的合成及表征圖譜
圖源：Angewandte Chemie International Edition, DOI:10.1002/anie.202501869

值得注意的是，COF-JLU45 在光照射下表現(xiàn)出令人印象深刻的 272.5 mmol g^-1 h^-1 析氫速率和在 1.0 wt% Pt 存在下卓越的可重用性，再加上在 600 nm 長波長下 12.9% 的顯著表觀量子產(chǎn)率。多光譜和理論模擬表明，COF-JLU45 的巧妙設(shè)計拓寬了其光吸收，并有效地促進(jìn)了激子解離。

圖6來源：Angewandte Chemie International Edition, DOI:10.1002/anie.202501869

總之，通過瞬態(tài)吸收光譜以及理論建模研究清楚地表明，COF-JLU45 在電荷載流子產(chǎn)生、激子解離和電荷分離方面表現(xiàn)出色，本質(zhì)上是一種出色的光催化劑，這一發(fā)現(xiàn)為構(gòu)建用于太陽能轉(zhuǎn)換和利用的無金屬光催化劑提供了有價值的見解。

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