共價(jià)有機(jī)框架及其衍生物在環(huán)境污染控制中的研究進(jìn)展

林化所蔣劍春院士、南林葛省波教授等 Chem. Soc. Rev.：共價(jià)有機(jī)框架及其衍生物在環(huán)境污染控制中的研究進(jìn)展

熱質(zhì)納能 ·四川 / 時(shí)間：2024-11-05 11:04:15

網(wǎng)易11月4日訊：2024年10月30日，林化所蔣劍春院士、南京林業(yè)大學(xué)葛省波副教授等在《Chemical Society Reviews》上以“ A comprehensive review of covalent organic frameworks (COFs) and their derivatives in environmental pollution control ”為題發(fā)表綜述論文。南京林業(yè)大學(xué)為**完成單位，葛省波副教授為**作者，研究生魏可心為共同**作者，蔣劍春院士為通訊作者，河南農(nóng)大彭萬喜教授、南林黃潤(rùn)州教授、英國(guó)諾森比亞大學(xué)Ben Bin Xu講席教授為共同通訊作者。該成果得到了中國(guó)工程院戰(zhàn)略研究與咨詢項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程等資助。

摘 要

共價(jià)有機(jī)框架（COFs）因其作為分子有機(jī)構(gòu)件的設(shè)計(jì)可能性而備受關(guān)注，可在原子精確的空間排列中堆疊。自2005年COFs問世以來，COFs及其衍生物的產(chǎn)品范圍不斷擴(kuò)大，推動(dòng)了該領(lǐng)域向大規(guī)模制備COFs及其衍生物的方向發(fā)展。本文對(duì)COFs及其衍生物的空間結(jié)構(gòu)和合成技術(shù)進(jìn)行全面分析和比較，討論了傳統(tǒng)的COFs合成方法，如超聲化學(xué)法、微波法和溶劑熱法等，以及新型COFs及其衍生物的合成策略。此外，本文還展示了COFs及其衍生材料在空氣、水和土壤污染管理中的應(yīng)用，如氣體捕獲、催化轉(zhuǎn)化、吸附和污染物去除等。最后，本文重點(diǎn)介紹了新型COFs及其衍生材料在大規(guī)模制備和應(yīng)用方面面臨的挑戰(zhàn)和前景，結(jié)合聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDG）和數(shù)字化技術(shù)（AI、ML）的需求，展望了COFs在環(huán)境污染控制領(lǐng)域的未來技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

全文總結(jié)

在過去二十年中，COFs的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新合成、表面改性和功能化等方面，以便將功能基團(tuán)連接到活性位點(diǎn)。COFs已被證實(shí)能夠有效捕獲空氣中的有害氣體、水中的金屬離子和染料，以及土壤中的有機(jī)污染物和重金屬。它們作為催化劑可以促進(jìn)氣態(tài)污染物的氧化還原反應(yīng)，降低其毒性，還可以用作濾膜，疏水骨架結(jié)構(gòu)和可調(diào)孔徑為分子篩提供了可選通道，可以選擇性地過濾水或空氣中的有害物質(zhì)，便于集中處理。此外，COFs也可作為檢測(cè)儀器，監(jiān)測(cè)空氣和土壤中的污染物，這使得COFs的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系引起了廣泛關(guān)注。通過在COFs的骨架中引入活性基團(tuán)或金屬原子，能夠增強(qiáng)其對(duì)特定金屬離子（如鈾和汞）或氣態(tài)污染物（如二氧化硫）的吸附能力。

作者預(yù)期未來將出現(xiàn)幾個(gè)關(guān)鍵的發(fā)展：（i）通過合理設(shè)計(jì)COFs的孔結(jié)構(gòu)，尤其是在骨架內(nèi)引入高密度活性位點(diǎn)，可以有效提升其功能。結(jié)合微孔和中孔的分級(jí)結(jié)構(gòu)有助于增加活性位點(diǎn)的可及性，介孔COFs適用于大分子，而微孔COFs則適合小分子，設(shè)計(jì)孔徑以更好的匹配目標(biāo)污染物的大??；（ii）COFs具有優(yōu)異的發(fā)光活性，使其成為化學(xué)傳感器的潛在候選者。當(dāng)COFs與目標(biāo)離子、分子及顆粒物相互作用時(shí)，其發(fā)光特性會(huì)發(fā)生變化，有望廣泛檢測(cè)環(huán)境中的各種離子、分子及顆粒物；（iii）在特定環(huán)境下保持COFs功能化穩(wěn)定性對(duì)其循環(huán)使用能力至關(guān)重要。因此，在設(shè)計(jì)COFs材料時(shí)，需綜合考慮孔結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，并根據(jù)環(huán)境條件選擇適當(dāng)?shù)臉?gòu)建塊；（iv）未來COFs的發(fā)展應(yīng)集中于簡(jiǎn)化合成過程和降低生產(chǎn)能耗，采用更經(jīng)濟(jì)的原料，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。這些將使得具備可調(diào)節(jié)孔徑和結(jié)構(gòu)的COFs能夠進(jìn)一步在環(huán)境污染處理方面發(fā)揮更大的作用。（本刊有刪節(jié)）詳情見熱質(zhì)納能公眾號(hào)

https://doi.org/10.1039/d4cs00521j