研究背景
共价有机框架（COFs）是一类由轻元素（如C、N、O、B、S、Si、H）通过共价键构建的有机多孔晶体材料。过去的十年被称为COF发现的时代，这类材料在气体储存、分离、催化、能量存储等多个领域展现出了巨大的潜力。COFs根据单体的几何对称性被划分为一维（1D）、二维（2D）和三维（3D）结构，这使得它们的应用更加广泛。然而，COFs在实际应用中仍面临诸多挑战，尤其是它们的合成和结构稳定性问题。传统的COF合成方法主要依赖于溶剂热法，这种方法通常需要使用有机溶剂并在密封的Pyrex管中进行反应。这不仅导致了不可规模化的粉末产物，还带来了环境污染，严重限制了COFs在实际中的广泛应用。此外，传统合成方法生成的COFs通常具有较低的结晶度和BET比表面积，难以满足高性能材料的需求。因此，如何开发更加环保、可规模化且能够提高COFs性能的合成方法成为了当前研究的重点。为了解决上述问题，南开大学张振杰课题组在“Nature Protocols”期刊上发表了题为“Flux synthesis of two-dimensional covalent organic frameworks”的最新论文。他们提出了一种基于有机熔剂合成的新方法，该方法无需添加溶剂，从而避免了溶剂热合成带来的环保问题和粉末化现象。这种新兴的合成方法不仅适用于多种类型的COFs的制备，如烯烃键合、酰亚胺键合以及碱基COFs，而且它能够在克级和公斤级规模上实现。这一方法的最大优势在于，它能够显著提高COFs的结晶度和孔隙率，使其更适用于分离应用，尤其是在工业气体分离和水处理等领域。
研究亮点
1. 实验首次在不添加溶剂的条件下，使用有机熔剂法合成了高结晶度的共价有机框架（COFs）。 通过这种新兴的合成方法，研究人员成功制备了多种类型的COFs，包括烯烃键合、酰亚胺键合和Schiff碱基COFs。这些COFs的制备在克级和公斤级规模上均得到了实现，打破了传统溶剂热法中不可规模化生产的瓶颈。2. 实验通过有机熔剂合成法，显著提高了COFs的结晶度和BET比表面积。 该合成方法不仅避免了传统溶剂热合成法中使用有机溶剂带来的环境污染问题，还增强了COFs的结构稳定性和孔隙率。实验结果表明，与传统方法相比，该方法制备的COFs通常具有更高的结晶度和BET比表面积，适用于气体分离和水处理等工业应用。
图文解读
图1：共价有机骨架材料Covalent Organic Frameworks，COFs合成方法与传统溶剂热法比较。图3：烯烃连接的共价有机骨架材料COF有机助熔剂合成。图4: 酰亚胺连接的共价有机骨架材料COFs有机助熔剂合。图5: 共价有机骨架材料COFs的PXRD和BET数据。
总结展望
本文通过开发和应用有机熔剂合成方法，显著拓展了共价有机框架（COFs）的制备与应用潜力。传统的溶剂热合成方法受限于环境污染和无法规模化生产，而本文提出的无溶剂合成方法克服了这些挑战，能够在克级和公斤级规模上制备高质量的COFs。这一创新方法不仅减少了对环境的负面影响，还提高了COFs的结晶度和孔隙率，进而提升了其在气体分离、水处理等工业领域的应用性能。更为重要的是，这一合成方法的通用性展示了其在不同类型COFs中的广泛适用性，为未来大规模生产和应用COFs提供了可行的技术路径。这一研究为实现更高效、可持续的材料合成奠定了基础，启发了在化学合成和环境保护之间寻找平衡的创新思路。 Wang, Z., Zhang, Y., Liu, J. et al. Flux synthesis of two-dimensional covalent organic frameworks. Nat Protoc (2024). https://doi.org/10.1038/s41596-024-01028-5
