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導(dǎo)讀

近日，國際著名學(xué)術(shù)期刊JACS以通訊論文形式在線發(fā)表了浙江工業(yè)大學(xué)/寧波大學(xué)彭永武研究員團(tuán)隊(duì)/武漢大學(xué)龔成濤博士/江蘇第二師范學(xué)院矯文梅博士合作完成的一項(xiàng)重要科研成果，論文題為“2D Covalent Organic Frameworks with cpt-defect topology Enabled by aNode-Splitting Strategy”。該研究提出了一種創(chuàng)新的“節(jié)點(diǎn)分裂策略”，通過將傳統(tǒng)cpt拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中一半數(shù)六連接C3對稱節(jié)點(diǎn)，替換為三組兩連接C2v對稱節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建出具有cpt-defect拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的二維共價(jià)有機(jī)框架（2D COFs）。C2v節(jié)點(diǎn)間的定向氫鍵作用在維持晶體周期性的同時(shí)，誘導(dǎo)形成了明確限域的氫鍵納米陷阱。論文第一作者為柳家亮，論文通訊作者為彭永武研究員、龔成濤博士和矯文梅博士。

正文

二維共價(jià)有機(jī)框架（2D COFs）是一類基于網(wǎng)狀化學(xué)原理構(gòu)建的晶態(tài)多孔材料，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常源自阿基米德平鋪理論，包括已被廣泛報(bào)道的hcb、sql、hxl，kgm，和kgd等五種邊緣傳遞網(wǎng)絡(luò)（圖1）。盡管通過網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和節(jié)點(diǎn)角度調(diào)控可實(shí)現(xiàn)部分結(jié)構(gòu)多樣化，但在保持結(jié)晶性的前提下實(shí)現(xiàn)高密度、空間有序的功能位點(diǎn)布局仍是重大合成挑戰(zhàn)。近年來，缺陷工程的引入使得亞化學(xué)計(jì)量構(gòu)建成為可能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功能基團(tuán)的有序嵌入。然而，為了維持框架的結(jié)構(gòu)完整性，這些策略通常受到低缺陷密度（小于33%）的限制。本研究突破了這一限制，所提出的節(jié)點(diǎn)分裂策略不僅有效提升了缺陷密度，還維持了長程有序性。

圖1.通過節(jié)點(diǎn)分裂策略實(shí)現(xiàn)cpt-defect拓?fù)?/strong>2DCOFs材料的網(wǎng)格合成

具體而言，作者設(shè)計(jì)合成了兩個(gè)C3對稱的六連接胺單體 TAPB 和 BATD（圖2），并與三種C2v對稱的二連接醛單體 HBB 和 DBA 在溶劑熱條件下通過 [6+2] 亞胺縮合反應(yīng)構(gòu)建了 COF-35、COF-36 和 COF-37 三種高結(jié)晶度 cpt-defect COF 材料。其中，HBB 中的羥基和 DBA 中的硼酸基團(tuán)進(jìn)一步增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)間的定向氫鍵作用，驅(qū)動(dòng)納米陷阱的形成與空間精確定位。計(jì)算表明，COF-35、COF-36 和 COF-37 每克分別包含 187、164 和 166 毫克的納米陷阱缺陷質(zhì)量，顯示出高密度且規(guī)則排列的缺陷結(jié)構(gòu)。

圖2 COF-35、COF-36和COF-37的合成路線和結(jié)構(gòu)表征。

鑒于此類氫鍵限域納米陷阱的高密度特性，作者進(jìn)一步評估了其在Au3+離子回收方面的應(yīng)用潛力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，COF-36 展現(xiàn)出高達(dá) 1725 mg g-1的Au3+吸附能力，性能遠(yuǎn)超大多數(shù)已報(bào)道的 COF 吸附劑，同時(shí)具備良好的選擇性和穩(wěn)定性。在模擬電子廢液的混合金屬離子溶液中，COF-36 對 Au3+的去除率超過 99%，表現(xiàn)出優(yōu)異的金屬選擇性。基于密度泛函理論（DFT）計(jì)算，研究揭示這種高親和力來源于納米陷阱空腔與 [AuCl4]-陰離子的幾何匹配，能夠形成多重穩(wěn)定的氫鍵絡(luò)合結(jié)構(gòu)。

圖3 COF-35、COF-36和COF-37的金離子（Au3+）回收性能評估以及[AuCl4]-的優(yōu)化吸附幾何形狀和相應(yīng)吸附能。

總結(jié)

該工作首次提出并驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)分裂作為調(diào)控COF 拓?fù)渑c功能協(xié)同策略的可行性與普適性，為二維共價(jià)有機(jī)框架材料在精密分離與資源回收等高端應(yīng)用領(lǐng)域的拓展提供了新路徑。

導(dǎo)師介紹

彭永武，博士，碩士/博士生導(dǎo)師。2013年畢業(yè)于上海交通大學(xué), 獲工學(xué)博士學(xué)位。2014–2019年在新加坡國立大學(xué)（趙丹教授課題組）和南洋理工大學(xué)（張華教授課題組）從事博士后研究。2019年9月加入浙江工業(yè)大學(xué)，“運(yùn)河青年學(xué)者”。現(xiàn)任材料與工程學(xué)院副研究員（2025年起）。主要研究方向?yàn)橛行蚨嗫卓蚣芄δ懿牧系脑O(shè)計(jì)組裝及其在清潔能源領(lǐng)域的應(yīng)用。已發(fā)表SCI論文80余篇，總引用超7600次，入選2024年度科睿唯安全球高被引科學(xué)家。獨(dú)立開展研究工作以來，已以通訊作者在Nature Synthesis、Journal of the American Chemical Society (4篇)、Angewandte Chemie International Edition (2篇)、Nature Communications、Chemical Society Reviews、ACS Materials Letters (3篇)、Chinese Chemical Letters (3篇)、Chemical Communications (6篇) 等期刊上發(fā)表SCI論文50余篇，授權(quán)中國發(fā)明專利14項(xiàng)。主持多項(xiàng)科研項(xiàng)目，包括國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子任務(wù)、浙江省“錢江人才計(jì)劃”項(xiàng)目、浙江工業(yè)大學(xué)“運(yùn)河青年學(xué)者”啟動(dòng)基金等。現(xiàn)擔(dān)任《Exploration》、《Rare Metals》、《精細(xì)化工》等期刊青年編委或?qū)W術(shù)編輯。

教師個(gè)人主頁：https://homepage.zjut.edu.cn//pyw/

X-mol課題組主頁: https://www.x-mol.com/groups/ywpeng

Google scholar:https://scholar.google.com/citations?user=zhAEmm8AAAAJ

彭永武博士將于2025年全職入職寧波大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，組建“有序孔材料與能源轉(zhuǎn)化”課題組。課題組將聚焦碳轉(zhuǎn)燃料為核心的新能源材料（COF/HOF）體系，圍繞國家“綠氫、綠醇、綠氨”等戰(zhàn)略需求，開展碳捕獲與轉(zhuǎn)化新材料、先進(jìn)能源轉(zhuǎn)化體系等方向研究。

現(xiàn)誠招以下成員：教師助理 1–2 名；博士后 / 研究助理 若干

歡迎材料、化學(xué)、化工等相關(guān)專業(yè)背景的博士及應(yīng)屆碩士畢業(yè)生加入。

有意者請聯(lián)系：ywpeng@zjut.edu.cn

文獻(xiàn)詳情：

2D Covalent Organic Frameworks with cpt-defect topology Enabled by a Node-Splitting Strategy

Jialiang Liu, Guangshan Zhou, Jingming Yang, Chengtao Gong,* Hao Wang, Wenmei Jiao,* Yongwu Peng*

J. Am. Chem. Soc.