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Nat. Chem. | 吉林大學(xué)方千榮教授團(tuán)隊(duì)在三維共價(jià)有機(jī)框架材料的合成策略方向取得新進(jìn)展
來(lái)源：吉林大學(xué) 2025-01-14
導(dǎo)讀：近日，吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院方千榮教授課題組與北京大學(xué)孫俊良團(tuán)隊(duì)合作，在三維共價(jià)有機(jī)框架材料（3D COF）的合成策略方向取得重要進(jìn)展。基于3D COF設(shè)計(jì)拓?fù)涠鄻有允芟捱@一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用了一種基于降低構(gòu)建單元對(duì)稱(chēng)性的策略，通過(guò)引入8連接（8-c）構(gòu)建單元，成功設(shè)計(jì)并合成了兩種新型三維共價(jià)有機(jī)框架材料JUC-644和JUC-645，從而突破了傳統(tǒng)方法的限制，顯著豐富了3D COF的拓?fù)涠鄻有浴Ｑ芯砍晒浴癝ynthesis of three-dimensional covalent organic frameworks through a symmetry reduction strategy”為題，于1月8日發(fā)表在Nature Chemistry上。
圖1 基于不同策略合成三維共價(jià)有機(jī)框架3D COF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通?；诟叨葘?duì)稱(chēng)的構(gòu)建單元，如傳統(tǒng)的四面體（圖1a）。目前，通過(guò)結(jié)合平面多邊形和外部三角形單元形成的6連接（三角棱柱）和8連接（立方體或長(zhǎng)方體）構(gòu)建單元已實(shí)現(xiàn)有限且較為可預(yù)測(cè)的拓?fù)洌▓D1b, c）。本研究創(chuàng)新性地采用降低構(gòu)建單元對(duì)稱(chēng)性的策略，設(shè)計(jì)并合成了JUC-644和JUC-645。通過(guò)連續(xù)旋轉(zhuǎn)電子衍射（cRED）和高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）技術(shù)，解析了其晶體結(jié)構(gòu)，并首次發(fā)現(xiàn)“雙鏈連接”現(xiàn)象（圖1d, e），即相鄰構(gòu)建單元通過(guò)兩條獨(dú)立的鏈連接。為精準(zhǔn)描述拓?fù)洌芯繉?連接構(gòu)建單元拆解為1個(gè)4連接頂點(diǎn)和4個(gè)3連接頂點(diǎn)，提出了[4+3(+2)]-c拓?fù)洌▓D1f），并進(jìn)一步定義了六種新拓?fù)漕?lèi)型，包括jca、jcd等。這些拓?fù)渚丛诂F(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)現(xiàn)，顯示了研究在3D COF拓?fù)湓O(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新性。與已有的構(gòu)建單元相比，所設(shè)計(jì)的構(gòu)建單元在點(diǎn)群對(duì)稱(chēng)性上存在顯著差異，且多數(shù)表現(xiàn)為降低的對(duì)稱(chēng)性。作為該策略的初步實(shí)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)將四個(gè)3連接的三角形外部亞單元（C?v對(duì)稱(chēng)性）與一個(gè)4連接的三維扭曲四面體中央亞單元（D?d對(duì)稱(chēng)性）進(jìn)行組合，生成了具有D?d對(duì)稱(chēng)性且構(gòu)型靈活性較高的非傳統(tǒng)8連接（8-c）構(gòu)建單元（圖2）。值得注意的是，由于最穩(wěn)定構(gòu)象的差異及二面角變化的靈活性，由這些D?d構(gòu)建單元形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有不可預(yù)測(cè)性，且在以往文獻(xiàn)中尚未見(jiàn)報(bào)道。這些獨(dú)特的8-c構(gòu)建單元分別與對(duì)苯二胺（PDA，圖2所示）作為線性連接單元發(fā)生縮合反應(yīng)，成功構(gòu)筑了兩種新型3D COF材料JUC-644和JUC-645，呈現(xiàn)出獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。圖3 JUC-644和JUC-645的結(jié)構(gòu)表征根據(jù)PXRD圖譜及掃描電子顯微鏡（SEM）與透射電子顯微鏡（TEM）圖像（圖3a，d），JUC-644和JUC-645均表現(xiàn)出較高的結(jié)晶度。兩種結(jié)構(gòu)主要通過(guò)連續(xù)旋轉(zhuǎn)電子衍射（cRED）技術(shù)進(jìn)行解析。對(duì)于結(jié)晶度相對(duì)更優(yōu)的JUC-644，通過(guò)cRED數(shù)據(jù)（圖3c）首先確定了JUC-644的晶胞，其空間群為Pcca。這是目前已報(bào)道的cRED數(shù)據(jù)在使用直接法進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)解析時(shí)的最低分辨率。最終的晶體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行Rietveld精修，Rwp為7.56%，Rp為5.76%（圖3b）。高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）成像對(duì)于揭示COF的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)至關(guān)重要，可提供其原子排列的精準(zhǔn)信息。在JUC-645的結(jié)構(gòu)解析中，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合了cRED技術(shù)和HRTEM表征。cRED數(shù)據(jù)解析確定了JUC-645的晶胞（圖3f），其空間群為Fddd。晶體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行Rietveld精修，Rwp為6.77%，Rp為5.24%（圖3e）。HRTEM圖像被采集并通過(guò)CRISP軟件在p1和平面群cmm下進(jìn)行對(duì)稱(chēng)疊加，與雙穿插模型沿[1?10]方向的投影圖進(jìn)行比較，顯示出高度一致性，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)解析的準(zhǔn)確性。根據(jù)對(duì)JUC-644和JUC-645的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，JUC-644展示出一種罕見(jiàn)的[6(+2)]-c pcu類(lèi)似拓?fù)?。JUC-645的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)似，但為[6(+2)]-c bsn型拓?fù)?。這種雙鏈結(jié)構(gòu)由相鄰構(gòu)建單元通過(guò)多個(gè)鏈接形成，在已報(bào)道的3D COF結(jié)構(gòu)中尚屬首次發(fā)現(xiàn)。由于這些拓?fù)湮丛赗CSR或TTD數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄，被認(rèn)為是全新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并命名為jca和jcd拓?fù)洹＿@一研究為未來(lái)設(shè)計(jì)具有更多樣化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的COF提供了新的策略與可能性。JUC-644和JUC-645的多孔結(jié)構(gòu)與高比表面積為其在氣體吸附與分離方面提供了潛力。為了研究JUC-644和JUC-645對(duì)多種輕烴分子的吸附特性，分別測(cè)定了C2H6、C3H8和n-C4H10在283K、298K和313K下的單組分吸附等溫線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在298K下，JUC-644對(duì)C2H6、C3H8和n-C4H10的吸附量分別為4.83、11.28和10.45 mmol/g，顯著高于JUC-645的4.17、8.37和8.51 mmol/g，表現(xiàn)出已知多孔材料中最高的C3H8吸附能力。在n-C4H10的吸附方面，JUC-644的吸附量（10.45 mmol/g）也超過(guò)了大多數(shù)已報(bào)道材料。該工作創(chuàng)新性在于提出了一種基于降低對(duì)稱(chēng)性的策略，成功實(shí)現(xiàn)了具有雙鏈結(jié)構(gòu)的三維COF的設(shè)計(jì)與合成。這一策略突破了傳統(tǒng)基于高度對(duì)稱(chēng)構(gòu)建單元的限制，為開(kāi)發(fā)更復(fù)雜、更高效的多孔材料提供了新的思路。此外，本研究還強(qiáng)調(diào)了cRED與HRTEM聯(lián)合表征技術(shù)在解析復(fù)雜COF結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵作用，并展示了JUC-644在氣體吸附與分離中的卓越性能。未來(lái)，該策略可進(jìn)一步拓展至其他多孔材料體系，并通過(guò)構(gòu)建單元的化學(xué)功能化進(jìn)一步提升材料性能。吉林大學(xué)博士后常建紅、博士生鄭浩瑞和北京大學(xué)博士生為文章共同第一作者，通訊作者為李輝助理教授、方千榮和孫俊良。合作團(tuán)隊(duì)在吉林大學(xué)的研究工作得到了國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、面上/青年科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金和科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。https://www.nature.com/articles/s41557-024-01715-6
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