分子瑟瑟发抖，COF顷刻俯首，Nature 顶刊到手

共价有机框架（Covalent Organic Frameworks，COFs）材料是一种新兴的、共价键连接的结晶性多孔高分子材料。由于其具有大比表面积、规整的孔道、易于调控的结构、超低密度以及优异的热稳定性和化学稳定性等优点，COFs材料在气体吸附和分离、多相催化、能量存储、生物载药及化学传感等领域中展现了巨大的应用潜力。然而，实现从科学研究到工业应用的跨越，其中一个问题必须解决，即能够高效、便捷、绿色且大量的合成材料。目前，水热法是制备COF的主要手段，然而这种操作有一下局限性1）需要“冷冻-抽气”的方法置换空气，提供反应的真空条件，对于设备要求较高，且单次合成量有限；2）通常需要加热条件，且反应时间较长（3天）;3）常用有机溶剂，例如二氧六环，三甲苯等，具有较大毒性。以上种种条件限制了COF的工业化、大批量制备和应用。

为了应对以上挑战，推动COF领域的发展，利物浦大学Andy Cooper 团队发展了一种在水相体系中采用超声制备COFs材料的新策略。相比于传统方法，超声合成：1）操作简单，将反应原料与乙酸水溶液混合后在室温空气中即可合成；2）大大缩短合成时间，通常1个小时即可获得高结晶性材料；3）合成过程更加绿色，反应不需要有机溶剂参与，在水相中即可进行；4）可大量制备，1小时即可获得克级材料。此外该方法具有较好的普适性，作者借助该策略成功制备了9例材料（图1），其中包括两例首次报道的COF材料。

图1 左：用于 COFs 合成的胺和醛单体。中：声化学装置和反应装置的示意图。右：合成的 COFs 的结构、它们的名称以及它们的胺和醛组分。

有趣的是，作者发现这种快速合成的COFs材料表现出更加优异的多孔性和结晶性。作者进一步对比了通过超声合成的COF（sonoCOF-3）和溶剂热法制备的材料（solvoCOF-3）在光分解水产氢性方面的性能，结果sonoCOF-3展现出了更加优异和稳定的产氢性能（图2b）。

图2 （a）高通量筛选用于光催化析氢的 sonoCOFs。（b）sonoCOF-3 和 solvoCOF-3 在 40 h 内的光催化析氢变化。（c）sonoCOF-3 的紫外-可见吸收光谱与 EQE。（d、e）solvoCOF-3 和 sonoCOF-3 光催化测试前后的 TEM 图像（d）和 sonoCOF-3 的高分辨率 TEM 图像，清楚地显示了单晶的六边形孔结构（红色轮廓）（e）。

综上所述，作者发展了一种通过声化学的方法，简洁、高效且绿色制备COFs材料的新方法，而且证实使用该方法制备的COFs材料展现出了优异的物化性能。该工作对于推动COF材料的工业化应用具有重要意义。该工作最终发表在期刊Nature Synthesis （DOI: https://doi.org/10.1038/s44160-021-00005-0）上，利物浦大学博士研究生——赵伟——为第一作者。

推送作者：朱强、赵伟。