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Acc. Chem. Res. 武漢大學汪成課題組發文闡述三維共價有機框架

來源:武漢大學      2020-09-30
導讀:近日,化學領域權威期刊“化學研究評述”(Acc. Chem. Res.)發表了 武漢大學化學與分子科學學院汪成教授課題組綜述文章。文中著重介紹了汪成課題組在三維共價有機框架領域的研究進展,包括新拓撲設計策略、原子水平結構解析、新型構筑基元和應用拓展等。

論文題為《三維共價有機框架:從拓撲設計到應用》(“Three-dimensional Covalent Organic Frameworks: From Topology Design to Applications”)。該論文第一作者為博士后桂波,通訊作者為汪成教授。

共價有機框架(COFs)是一類新興的有機多孔晶體材料,具有比表面高、密度低及可設計性強等特點,在氣體吸附與分離、催化、傳感、能源等領域都展現出廣闊的應用前景。根據其鏈接維度,COFs可分為二維COFs及三維COFs。相比于二維COFs,三維COFs可具有更高的比表面積、復雜的孔道結構和大量的開放功能位點等,在催化和吸附等領域具有很多優勢。然而,相比于研究相對較為成熟的二維COFs,三維COFs的研究極具挑戰性。究其原因,主要是三維COFs的合成驅動力來自于共價鍵的形成,很難從原子層面對成鍵過程進行精準控制。此外,三維COFs還存在眾多難題待解決,包括拓撲合成策略稀少、結構表征困難、功能化前體及應用較少。因此,自2007年首次報道以來,三維COFs相關研究成果報道很少(2016年前研究性論文大概只有10篇),發展非常緩慢。

面對三維COFs研究中存在的諸多挑戰,汪成課題組從問題導向出發,取得了系列重要進展。考慮到一些功能分子(如芘及卟啉)難以通過僅有的兩種拓撲合成策略(4+2和4+3)引入到三維COFs中,他們于2016年首次報道了由四面體節點和四邊形連接單元通過【4+4】連接方式構筑三維COFs的新策略 (JACS, 2016, google citations: 317),并進一步證明了該策略的普適性(JACS, 2017, google citations: 144)。在此基礎上,合成了具有高結晶性的三維COFs粉晶樣品,并首次通過電子衍射技術在原子水平確定了三維COFs粉晶樣品結構(ACIE, 2019)。此外,豐富了三維COFs的分子構筑單元,并成功構筑了一系列具有不同功能和應用的三維COFs(Nat Commun, 2018JACS, 2020ACIE, 2020),拓寬了三維COFs應用研究。

不可否認,盡管三維COFs的研究取得了較大的進展,但仍處于萌芽狀態,面臨許多挑戰。最后,作者還對該領域目前所面臨的挑戰和未來發展方向進行了詳細分析,相信隨著越來越多研究者的加入,該領域將會取得快速的發展。

論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.0c00357

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