博文
分离功能共价有机框架材料的设计与成型
||
近日，南开大学张振杰教授团队的AMR述评文章“Designing and Molding Covalent Organic Frameworks for Separation Applications”在线发表。文章总结了如何巧妙设计共价有机框架材料，以优化其在分离方面的应用，并建设性地指出了COF领域面临的挑战和未来发展方向。
关键词：共价有机框架材料，孔道工程，材料成型，分离应用
精心雕琢COF材料，点亮分离应用新境界
01 文章内容简介
分离过程不仅在现代化学工业中扮演重要角色，也与我们的日常生活息息相关。然而，传统的分离方法既高能耗又带来严重的环境问题。因此，探索低能耗、环保的替代分离技术迫在眉睫。膜分离和柱分离两种先进的分离技术备受关注，其中晶态多孔材料由于其特有的性质在膜分离和柱分离上展现出了独特的优势和巨大的应用前景。
近年来，共价有机骨架（COFs）作为一种新型的晶态多孔聚合物而崭露头角，其明确的结构、高的表面积、易调节的孔道和可定制的功能基团，在分离领域显示出极大的潜力。COFs的明确有序的结构、规整的孔道以及孔环境的精确调控能力，为研究分离机制和结构-功能关系提供了理想的平台。然而，COF材料的分离应用仍面临着一些重大挑战，如孔径基本为介孔、客体分子作用力较弱、难以规模生产等。这些挑战亟需通过创新研发使COF材料释放出全部的潜力，以应对关键分离挑战并推动工业应用。
本篇述评旨在总结张振杰教授团队最新的研究进展，包括：（i）提出设计穿插结构、引入作用位点引入、孔径调控等合成策略，将各种COFs设计为高效的分离器；（ii）创新多种成型策略，如交联、纳米带和熔融聚合，将COFs制备成纳米片、膜、凝胶等形态；（iii）探索COFs在气体分离、污染物去除和水处理等分离应用中的潜力。同时，我们在这篇述评中对这些研究进行了总结，并指出了该领域存在的挑战和未来的发展方向。
02 AMR：请问您对该领域的发展有何种愿景？
张振杰教授：
COF材料在分离领域的发展充满了潜力：
① 高效分离技术：COFs可以被精确设计为高效的分离材料，能够在降低能耗等方面实现突破。这包括改进气体分离、液体分离和离子选择性分离等各种应用。希望能开发出比传统方法更高效、更环保的分离技术，从而降低能耗和减轻环境负担。
② 多功能COFs：设计具有多功能性的COF材料，以同时实现不同类型的分离过程，或者将分离与其他化学反应或催化过程相结合，这将为多种工业应用和环境处理提供新的可能性。
③ 可持续性和可扩展性：开发可持续和大规模制备COF材料的生产方法，以降低制备成本和环境污染，这将有助于将COFs广泛应用于工业和商业领域。
④ 块体和薄膜：研究COF块体和薄膜的制备和应用，从而用于膜分离和柱分离的各种应用场景，有望提高能源效率和资源利用率。
⑤ 智能COFs：设计智能COF材料，可以根据环境条件或分离需求自动调整其性能，这种自适应性将使COFs更加灵活和高效。
⑥ 跨学科研究：促进材料科学、化学、物理、工程和环境科学等领域之间的跨学科合作，以推动COF分离技术的发展。这将有助于解决复杂的分离挑战。
03 AMR：您认为该领域当前最值得关注的热点是什么？
张振杰教授：
1）气体分离：气体分离一直是COF研究的热点领域之一。最近，我们一直在探索如何设计COF材料以实现高效的气体分离，特别是对于小分子气体的高选择性分离，如二氧化碳和氢气。这对于能源生产和环境保护具有重要意义。然而，有关如何克服COF孔径大和缺乏强作用位点等问题仍然存在很大挑战。
2）膜分离：COF膜的制备和应用是一个备受关注的领域。将COF材料制成薄膜可实现分离过程的连续操作。然而，制备高质量的COF薄膜特别是单层/寡层的超薄膜，以及在实际应用中维持其性能的稳定性仍然面临挑战。
3）可持续生产：在大规模应用中，可持续生产高质量COF材料，以及实现COF材料的直接成型一直存在挑战。我们正在探索绿色和环保的合成方法（熔融绿色合成），以及可扩展的生产技术。如何实现高效、低成本的大规模生产仍然是一个热点话题。
4）功能化COFs：设计具有特定功能的COF材料也备受关注。这包括将COF材料功能化为催化剂、吸附剂、传感器等，以扩展其应用领域。然而，如何实现功能化并保持COF结构的稳定性和性能仍然是一个研究的焦点。
5）理论研究：理论计算在COF研究中的应用也备受关注。通过计算方法，研究人员可以更好地理解COF材料的结构-性能关系，指导设计和合成。但是，如何将理论计算与实验结果紧密结合，以解决COF研究中的挑战，仍然是一个非常值得关注的问题。
04 AMR：您有什么科研心得想分享给读者们？
张振杰教授：
① 充分的背景研究是关键：在开始任何科研项目之前，深入了解相关领域的背景知识非常重要。这有助于您更好地理解问题的背景、目前的研究进展以及可能的研究方向。不要急于开展实验或分析，而是花时间建立坚实的理论基础。
② 创新和坚韧是成功的关键：科研往往是一个充满挫折和失败的过程。不要害怕失败，相反，将其视为学习和改进的机会。创新和坚韧性是科研成功的关键，不断尝试新方法和思考问题的不同角度将帮助我们取得进展。
③ 有效的沟通至关重要：科研不仅仅是独立工作，还需要与同事和其他研究人员合作，并与他人分享您的发现。有效的沟通，包括书面和口头沟通，对于确保研究得到认可和推广至关重要。
④ 团队合作是关键：在多数情况下，科研是一个团队合作的活动。与其他研究人员合作，分享想法和资源，可以加速研究进展。不要害怕在团队中扮演协作角色，这将使研究更加丰富和多样化。
⑤ 持续学习和自我提升：科学和技术领域不断发展，因此持续学习和自我提升至关重要。参加培训课程、研讨会、会议以及阅读最新的研究文献都有助于保持竞争力。
⑥ 热情和兴趣是驱动力：最重要的是，保持对您研究领域的热情和兴趣。对于自己所做的工作感到满足和激动将使您更有动力坚持下去，即使面临挑战也能坚持不懈。
最后，科研是一项充满发现和探索的精彩工作，而且它有助于推动社会进步和解决重要问题。
作者团队简介
●南开大学化学学院教授 张振杰
张振杰博士，南开大学化学学院教授、博导，天津市杰青。共发表论文150余篇，近五年以通讯作者发表论文以通讯作者发表论文72篇（IF>10的55篇论文中独立通讯38篇），包括Nat. Sustain.（1篇）、Nat. Protoc.（1篇）、Nat. Rev. Chem.（1篇）、Nat. Commun.（3篇）、Chem（2篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（19篇）、J. Am. Chem. Soc.（9篇）、CCS Chem.（1篇）、Sci. China. Chem. （2篇）、ACS Cent. Sci.（2篇）、Acc. Chem. Res. （1篇）、Acc. Mater. Res. （1篇）、Chem. Soc. Rev.（1篇）等；获批或申请中国发明专利35余件，PCT和美国专利5件，部分专利成果实现转化。研究成果受到国内外学者的关注和认可，被知名科学媒体和国际期刊多次评述报道。获中国化学会首届菁青化学新锐奖、美国化学会DIC Young Investigator Award、国家优秀自费留学生奖等，并担任美国化学会Crystal Growth & Design期刊编委、Chinese Chemical Letters、Smart Molecules青年编委。
●南开大学化学学院博士研究生 王洒
王洒，2015年至2021年，她在华南理工大学完成了学士和硕士学业，并获得了工程硕士学位，导师为周欣副教授。随后，她加入了南开大学化学学院张振杰教授的小组。她的研究重点是气体吸附、气体传感材料的合成和传感器的制备。
● 南开大学化学学院助理研究员 杨毅
杨毅，2013年在辽宁大学获得材料化学学士学位。随后，他加入南开大学，并于2016年获得有机化学硕士学位，2020年获得无机化学博士学位。2020年至今，他在南开大学担任助理研究员，合作导师为张振杰教授。他的研究主要集中在共价有机框架的设计、合成和高级应用方面。
扫码阅读张振杰教授团队的精彩Account文章：
Designing and Molding Covalent Organic Frameworks for Separation Applications
Sa Wang, Yi Yang, and Zhenjie Zhang*
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00141
投稿指南目前Accounts of Materials Research的投稿主要基于编辑团队的邀请。如您有意投稿，请先按照Author Guidelines的要求准备并投递proposal， 编辑团队会对您的proposal进行评审。如果proposal被接受，我们将向您发送投稿邀请。扫码阅读作者指南，下载proposal form：
https://m.sciencenet.cn/blog-3529677-1417273.html
上一篇：乏氧响应主客体药物递送体系
下一篇：基于DNA和多肽的超分子纳米组装体及在癌症治疗中的应用
