2005年末，共價有機框架（Covalent Organic Frameworks，COFs）橫空出世，作為金屬有機框架—MOFs的最佳拍檔，它的誕生為新型框架化學體系的建構(gòu)、新型功能材料的拓展，以及多重化學和物理行為等方面的研究和應(yīng)用帶來新的機遇。最近，又有哪些COFs的新進展?
有計算+實驗，有能源催化，有新結(jié)構(gòu)，有新思維，還有更重要的穩(wěn)定性等。
來吧，展示！
計算！
1. J. Phys. Chem. C: MOF@COF連接體的計算識別
共價-有機框架(COFs)是多種能源/環(huán)境應(yīng)用中具有前途的候選材料，但與金屬-有機框架(MOFs)等其他多孔材料相比，這些材料更難合成。這項研究開發(fā)了一種使用MOFs作為襯底的計算篩選算法，以便在理論上實現(xiàn)三維COFs(3D COFs)的異質(zhì)外延生長。該算法在原子/分子水平上詳細描述了MOF@COF的界面，以便使用自下而上的方法構(gòu)筑3D COFs。最終，該算法產(chǎn)生了19對適合在MOF表面異質(zhì)外延生長3D COFs的MOF@COF候選材料。
2. J.Am.Chem.Soc.：馴服杯[4]芳烴基二維COFs的拓撲結(jié)構(gòu):互穿與非互穿框架及其對陽離子染料的選擇性去除
碗狀的杯[4]芳烴及其生機勃勃的主客體化學是合成不同的配位籠或MOFs的多功能超分子結(jié)構(gòu)單元。然而，其在結(jié)晶COFs合成中的應(yīng)用仍然具有挑戰(zhàn)性，這可能是由于其構(gòu)象的可變性。這項研究合成了杯[4]芳烴的二維周期性擴展有機網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由通過動態(tài)亞胺鍵與線性聯(lián)苯胺連接體連接的杯[4]芳烴組成。通過改變反應(yīng)混合物中的濃度來調(diào)節(jié)相鄰杯芳烴單元之間的相互作用，實現(xiàn)了互穿(CX4-BD-1)和非互穿(CX4-BD-2)框架的選擇性合成。結(jié)構(gòu)主鏈中的錐形杯芳烴部分允許CX4-BD-1中兩個相鄰層的交織，使其成為互穿二維層的特殊例子。由于杯芳烴單元的高表面負電荷，兩種COFs在電荷選擇性染料去除方面均表現(xiàn)出高性能，并且無論其分子大小如何，對陽離子染料均具有出色的選擇性。進一步采用理論計算研究了COFs的電荷分布以及由此產(chǎn)生的陽離子染料選擇性。
3. ACS Catal.:增強可見光驅(qū)動制氫的穩(wěn)健共價有機框架
開發(fā)通過可見光分解水來制備清潔氫能的光催化劑是太陽能轉(zhuǎn)化為清潔可持續(xù)燃料的首要挑戰(zhàn)之一。受自然界光系統(tǒng)I結(jié)構(gòu)特征的啟發(fā)，設(shè)計并合成了一系列基于電子供體-受體的穩(wěn)健共價有機框架材料(NKCOFs)，其中芘的供電子基團可用于光捕獲。同時，將具有不同官能團的苯并噻二唑作為電子受體，來調(diào)控COFs的光吸收能力。引人注目的是，NKCOF-108的可見光制氫活性是純相COFs中最高的，這主要源自其獨特的結(jié)構(gòu)特征和寬的可見光響應(yīng)范圍。高度有序的層狀結(jié)構(gòu)確保有充足的制氫活性位點，而供體-受體設(shè)計可促進光生載流子的分離。這項發(fā)現(xiàn)為光解水制氫催化劑的設(shè)計提供了一種有效的策略。
4. Chem.Mater.:聚酰亞胺共價有機框架的合成及在CO2捕獲和水系鈉離子電池應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系
共價有機框架是一類新興的材料家族，具有多種潛在的應(yīng)用價值。它們的多孔框架和氧化還原特性的活性中心具有氣體/離子吸附特性，使其成為下一代電池中安全、廉價和可控的電極材料，以及碳捕獲中的CO2吸附材料。通過將芳香族三胺與芳香族二酐結(jié)合，發(fā)展了四種聚酰亞胺COFs，并進行了細致的結(jié)構(gòu)和電化學表征。通過DFT計算和粉末XRD的結(jié)構(gòu)表征，顯示酰亞胺鍵傾向于以一定角度形成，從而破壞了二維對稱性，縮小了孔徑并拉長了孔壁。兩種性能最佳的COFs源自相同的三胺結(jié)構(gòu)單元，結(jié)合力場計算，揭示了意想不到的結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系。特定的幾何形狀為鈉離子嵌入提供了有用的框架，在相對較高的工作電位(> 1.5 V vs Na/Na+)下具有可保持的容量和穩(wěn)定的循環(huán)壽命。盡管與傳統(tǒng)的無機鋰離子材料相比，這種容量還較低，但這些COFs由于具有不溶于水的特性，在可持續(xù)、安全和穩(wěn)定的水系鈉離子電池中具有優(yōu)勢。
5. J.Am.Chem.Soc.：具有柔性結(jié)構(gòu)單元的結(jié)晶三維共價有機框架
三維共價有機框架(3D COFs)的構(gòu)建是非常困難的，因為它們的合成驅(qū)動力主要來自共價鍵的形成。為了便于合成，剛性結(jié)構(gòu)單元始終是設(shè)計3D COFs的首選。原則上，用柔性的單元構(gòu)建3D COFs應(yīng)該很有吸引力，但是此類系統(tǒng)的發(fā)展遇到了瓶頸，尤其是在設(shè)計合成和結(jié)構(gòu)確定方面。這項成果報道了一種新型的高度結(jié)晶的3D COF (FCOF-5)，在結(jié)構(gòu)基元主鏈中具有柔性的C–O單鍵。有趣的是，F(xiàn)COF-5是柔性的，在蒸汽吸附/解吸時發(fā)生可逆的膨脹/收縮，表明存在呼吸運動。進一步制備了一種具有FCOF-5結(jié)構(gòu)的智能軟聚合物復(fù)合膜，該復(fù)合膜具有可逆的蒸汽觸發(fā)相變。因此，由柔性單元構(gòu)建的3D COFs可以表現(xiàn)出有趣的呼吸行為，這種柔性多孔晶體將具有多種有趣特性。
6. ACS Appl. Mater. Interfaces.: 超高碘捕獲能力的共價有機框架的理論篩選和實驗合成
核廢料中的放射性物質(zhì)會對人類的生殖和代謝系統(tǒng)等健康造成危害。如何快速高效地設(shè)計放射性物質(zhì)吸附劑仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。這項成果提出了一種通過理論篩選設(shè)計高效放射性碘吸附劑的策略。三種經(jīng)過篩選的COFs表現(xiàn)出超高碘吸附能力，由于其具有特定的孔徑和官能團，蒸汽中的碘吸附量高達6.4 g/g(質(zhì)量百分比為640%)，溶液中則高達99.9 mg/g。
最贊熱穩(wěn)定！
7. Faraday Discuss.: 二維共價有機框架的熱穩(wěn)定性趨勢
二維共價有機框架(2D COFs)是合成的多樣化的層狀大分子。它們的共價晶格被認為賦予了高的熱穩(wěn)定性，這通常通過熱重分析(TGA)來評估。然而，TGA測量的是揮發(fā)性降解產(chǎn)物形成的溫度，對COF的周期性結(jié)構(gòu)的變化不敏感。通過使用變溫XRD、TGA、漫反射紅外光譜和DFT計算相結(jié)合的方法研究了10種2D COFs的熱穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)2D COFs經(jīng)歷了一個普適性的兩步熱降解過程。在第一降解溫度下，2D COFs失去結(jié)晶度而不發(fā)生化學降解。然后，在更高的溫度下，它們會化學降解為揮發(fā)性的副產(chǎn)物。對2D COFs穩(wěn)定性的探索得到了一些有趨勢性的結(jié)論：硼酸酯連接的COFs通常比類似的亞胺連接的COFs更熱穩(wěn)定。較小的晶格比化學性質(zhì)相似的較大晶格更能抵抗熱降解。此外，孔功能化的COFs比其未功能化的類似物會在更低的溫度下降解。這些趨勢為熱彈性2D COF材料提供了設(shè)計標準。同時，將為更廣泛地探索二維網(wǎng)絡(luò)中的機械變形提供信息，為其實際應(yīng)用助力。
8. Microporous Mesoporous Mater.: 含N，O，P的雙功能共價有機框架用于吸附碘及對硝基苯酚和碘的熒光傳感
共價有機框架是新興的多孔有機材料，具有特殊的結(jié)構(gòu)特征，在碘捕獲和光譜領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用。然而，還沒有報道過同時具有碘吸附和熒光傳感的雙功能COFs。這項研究報道了三種雙功能COFs的構(gòu)建，它們是通過席夫堿縮聚物與具有不同取代基(-OCH3和–OH)的環(huán)磷腈基醛(NOP-6-CHO)和聯(lián)苯胺(BD)形成的。這些COFs顯示出高的熱穩(wěn)定性并顯示出不同的結(jié)晶度。由于在鏈接部位中引入取代基，比表面積、孔體積和結(jié)晶度得以降低。氫鍵相互作用顯著提高了薄膜的微觀有序度和結(jié)晶度。值得注意的是，所制備的COFs通過對碘分子表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附性能，其吸附容量分別高達4.41、3.78和4.47g·g-1。當懸浮在極性有機溶劑中時，三種COFs在紫外光下都具有高的熒光特性。此外，它們可以高靈敏和高選擇性地檢測對硝基苯酚和碘。
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