分子瑟瑟發抖，COF頃刻俯首，Nature 頂刊到手

共價有機框架（Covalent Organic Frameworks，COFs）材料是一種新興的、共價鍵連接的結晶性多孔高分子材料。由于其具有大比表面積、規整的孔道、易于調控的結構、超低密度以及優異的熱穩定性和化學穩定性等優點，COFs材料在氣體吸附和分離、多相催化、能量存儲、生物載藥及化學傳感等領域中展現了巨大的應用潛力。然而，實現從科學研究到工業應用的跨越，其中一個問題必須解決，即能夠高效、便捷、綠色且大量的合成材料。目前，水熱法是制備COF的主要手段，然而這種操作有一下局限性1）需要“冷凍-抽氣”的方法置換空氣，提供反應的真空條件，對于設備要求較高，且單次合成量有限；2）通常需要加熱條件，且反應時間較長（3天）;3）常用有機溶劑，例如二氧六環，三甲苯等，具有較大毒性。以上種種條件限制了COF的工業化、大批量制備和應用。

為了應對以上挑戰，推動COF領域的發展，利物浦大學Andy Cooper 團隊發展了一種在水相體系中采用超聲制備COFs材料的新策略。相比于傳統方法，超聲合成：1）操作簡單，將反應原料與乙酸水溶液混合后在室溫空氣中即可合成；2）大大縮短合成時間，通常1個小時即可獲得高結晶性材料；3）合成過程更加綠色，反應不需要有機溶劑參與，在水相中即可進行；4）可大量制備，1小時即可獲得克級材料。此外該方法具有較好的普適性，作者借助該策略成功制備了9例材料（圖1），其中包括兩例首次報道的COF材料。

圖1 左：用于 COFs 合成的胺和醛單體。中：聲化學裝置和反應裝置的示意圖。右：合成的 COFs 的結構、它們的名稱以及它們的胺和醛組分。

有趣的是，作者發現這種快速合成的COFs材料表現出更加優異的多孔性和結晶性。作者進一步對比了通過超聲合成的COF（sonoCOF-3）和溶劑熱法制備的材料（solvoCOF-3）在光分解水產氫性方面的性能，結果sonoCOF-3展現出了更加優異和穩定的產氫性能（圖2b）。

圖2 （a）高通量篩選用于光催化析氫的 sonoCOFs。（b）sonoCOF-3 和 solvoCOF-3 在 40 h 內的光催化析氫變化。（c）sonoCOF-3 的紫外-可見吸收光譜與 EQE。（d、e）solvoCOF-3 和 sonoCOF-3 光催化測試前后的 TEM 圖像（d）和 sonoCOF-3 的高分辨率 TEM 圖像，清楚地顯示了單晶的六邊形孔結構（紅色輪廓）（e）。

綜上所述，作者發展了一種通過聲化學的方法，簡潔、高效且綠色制備COFs材料的新方法，而且證實使用該方法制備的COFs材料展現出了優異的物化性能。該工作對于推動COF材料的工業化應用具有重要意義。該工作最終發表在期刊Nature Synthesis （DOI: https://doi.org/10.1038/s44160-021-00005-0）上，利物浦大學博士研究生——趙偉——為第一作者。

推送作者：朱強、趙偉。