北京理工大学冯霄JACS：高取向纳米通道COFs膜的梯度通道分割

研究内容

共价有机框架(COFs)为构建具有可调孔径和定制功能的膜纳米通道提供了一个特殊的平台，使其成为分离、催化和传感应用的有前途的候选者。然而，具有高度定向纳米通道的COFs膜的合成仍然具有挑战性，并且缺乏关于合成后修饰反应对沿纳米通道的功能分布的影响的系统研究。

北京理工大学冯霄介绍了一种“预成核和缓慢生长”的方法来合成具有高度定向的中孔通道和具有2230 m2 g-1的高Brunauer-Emmett-Teller(BET)表面积的COFs膜。功能部分通过“点击”反应锚定在孔壁上，并与Cu离子配位以用作分割功能。导致显著的H2/CO2分离性能，超过了Robeson上限。相关工作以“Gradient Channel Segmentation in Covalent Organic Framework Membranes with Highly Oriented Nanochannels”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

研究要点

要点1. 作者提出一种“预成核和缓慢生长”策略，在固液界面合成了具有高度定向纳米通道的致密且无裂纹的COFs膜。该膜表现出2230 m2 g-1的显著Brunauer-Emmett-Teller(BET)表面积，这是COFs膜很少达到的值。

要点2. 为了进一步定制通道尺寸和环境，作者锚定了三种不同的官能团，即4-叠氮基苯甲酸(N3-R1-COOH)、11-叠氮基-3,6,9-三氧十一烷-1-胺(N3-R2-NH2)和4,4′-二叠氮基-2,2′-二苯乙烯二磺酸二钠盐四水合物(N3-R3-SO32-)通过“点击”反应附着到COFs膜的孔壁上(COF-R1-COOH/Cu、COF-R2-NH2/Cu和COF-R3-SO32-/Cu)。

要点3. Cu离子作为催化剂的加入也有助于通过配位连接进行孔隙分割，从而产生出色的H2/CO2气体膜分离性能。此外，官能团沿纳米通道的分布可能受到其柔韧性和合成后反应速率的影响。

该策略为精确设计和构建具有高取向和精确控制通道环境的基于COF的人工固态纳米通道铺平了道路。

研究图文

图1.（a）两种单体在乙酸乙酯中的混合溶液在不同超声处理时间后的FTIR-ATR(右图表示在1630-1577 cm-1范围内光谱特征峰)。（b）TAPB-BPTA COF膜在0.1 M NaOH溶液中浸渍后的以及重叠堆叠COF的PXRD。（c）TAPB-BPTA COF膜的N2吸附等温线和孔径分布。（d）TAPB-BPTA COF膜的2D GIWAXS。

图2.（a）TAPB-BPTA COF膜的制备示意图。（b）通过点击反应用不同官能团对TAPB-BPTA COF膜进行孔修饰的示意图。

图3. TAPB-BPTA COF、COF-R1-COOH/Cu、COF-R2-NH2/Cu和COF-R3-SO32-/Cu膜的（a）PXRD、（b）FTIR-ATR、（c）N2吸附等温线和（d）固态13C NMR光谱。

图4. 不同蚀刻时间的衍射特征峰面积(St)与未蚀刻膜表面的特征峰的峰面积(S0)之比的变化曲线。

图5.（a）COF-R1-COOH/Cu、COF-R2-NH2/Cu和COF-R3-SO32-/Cu复合膜的单组分气体渗透率。（b）本工作中的COF复合膜与其他报道的膜之间的H2/CO2分离性能比较。

图6. COF膜通道内的功能分布示意图。蓝色球体代表铜离子。

文献详情

Gradient Channel Segmentation in Covalent Organic Framework Membranes with Highly Oriented Nanochannels

Xuechun Jing, Mengxi Zhang, Zhenjie Mu, Pengpeng Shao, Yuhao Zhu, Jie Li, Bo Wang, Xiao Feng*

J. Am. Chem. Soc.