化茧成蝶，科学家制备出高结晶高稳定新材料

4月6日，《自然》在线发表华东理工大学教授朱为宏、田禾院士和英国利物浦大学教授Andrew Cooper的研究成果。研究人员基于动态化学，在构筑共价有机框架材料研究方面取得突破性进展。

针对共价有机框架（COFs）材料研究领域长期以来“结晶性”和“稳定性”难以兼得的问题，研究团队提出基于动态化学“重构共价有机框架（RC-COF）”的全新概念，通过可逆共价键预组装和合成后框架重构，为不可逆共价键制备了高结晶、高稳定的COF材料，获得了优于所有已知COF材料的二氧化碳吸附能力，以及可与同领域最高水平材料相媲美的光催化产氢性能。

“化茧成蝶”重构共价有机框架      受访者供图

结晶困局：框架共价组装的挑战

共价有机框架是新兴的晶态多孔材料，由轻质的有机分子基元，通过全共价键连接而形成二维或三维的网络结构，具有优异结构可裁剪性和功能可调性，及低骨架密度、高孔隙率、开放的孔道结构等优点，在气体储存、吸附分离、光电转化、多相催化等功能应用中前景广阔。

动态共价化学是COF材料定向设计的科学基础，赋予了共价组装过程的纠错能力，是同时取得结晶性和稳定性的关键。

然而，“结晶性”与“稳定性”在COF材料的合成制备中往往“顾此失彼”：一方面，高结晶性COF框架合成所采用的可逆共价键容易在极端条件下分解，大大限制了其可应用的场景；另一方面，采用不可逆共价键，虽可制备高稳定性的COF材料，但通常结晶性较差而难以发挥其应有的高性能。

此外，COF材料合成所需的严格除氧操作，也限制了其宏量制备和大规模推广应用。

“因此，高稳定、结晶性COF材料的合成策略和高效制备是该领域走向实用化的一大障碍。”朱为宏对《中国科学报》说。

框架重构：更精准、更强的共价连接

研究中，该团队借鉴超分子化学纳米限域反应和动态共价化学的理念，巧妙地将框架共价组装和不可逆共价键分开。

“该研究的亮点之一是我们提出了‘重构共价有机框架’的合成策略。”该论文第一作者、华东理工大学化学与分子工程学院博士后张维伟告诉《中国科学报》，“即利用可逆共价键，将有机基元‘预组装’成晶态框架，再进行合成后的‘限域重构’，由此实现高稳定性结晶COF在常规合成条件下的高效制备和可规模化生产。”

在实际操作中，研究人员采用方向性强且可逆性高的尿素键作为“共价绳索”，将分子基元预组装成高结晶性COF框架后，再在更高的反应温度下，利用水分子作为“剪刀”剪断“共价绳索”，释放出氨气和二氧化碳后被保留下来的芳胺和醛的官能基元在纳米限域的框架中原位聚合和不可逆异构化，完成了高稳定性框架的预设性重构结晶。

此外，研究人员还通过准原位X射线粉末衍射监控样品结晶性并观测整个框架重构的过程。控制实验表明温度和水含量是诱导框架重构反应的两个关键要素。

性能提升：更好的材料、更优的性能

以上述研究为基础，联合团队制备出一系列高结晶性的RC-COF材料，由此也验证了上述策略的有效性和普适性。

按照重构方法制备的RC-COF材料与传统直接聚合方法制备的COF材料相比，结晶性和多孔性得到了显著提升——比表面积提升最高可达4.5倍，孔容增大最多可达4倍。其中，RC-COFv-1在极易实现的温度（273 K）和气压（1 bar）条件下，对二氧化碳的吸附容量达到较高水平，打破了其它所有COF的纪录。

高结晶性不仅带来了更高比表面积和孔隙率，更赋予材料更加优越的光生载流子形成和传输能力。其中，RC-COF-1表现出优异的光催化产氢速率，是传统方法合成同构材料活性的4倍，成为目前光催化产氢活性最高的COF材料之一。

“该合成策略的巧妙之处还在于，引入尿素基团提高了原料的抗氧化性，整个合成过程无需真空除氧操作，大大地简化了工艺流程，提高了生产效率。”张维伟说。

据研究人员介绍，该项工作的创新理念受到中国优秀传统文化中“化茧成蝶”概念的启发——通过弱的可逆共价键预组装成晶态的亚稳定共价框架，再通过动态化学、纳米限域反应形成更稳定的全新框架，类似于蝴蝶从幼虫结茧最后蜕变成蝴蝶的过程。

“该研究提出的尿素基团作为一次性的、可逆、可移除的‘共价绳索’，开辟了构筑兼具高结晶性和高稳定性COF材料的动态化学新范式。”朱为宏说。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04443-4