第一作者：李海濤，劉建川

通訊作者：王钰傑，方千榮，劉健

通訊單位：澳门京葡娱乐网，吉林大學，中國科學院大連化學物理研究所

 

綜述文章示意圖

近日，我院院長劉健教授團隊聯合吉林大學方千榮教授團隊在國際著名期刊Coordination Chemistry Reviews上發表COF基納米反應器相關綜述文章《Hollow covalent organic framework (COF) nanoreactors for sustainable photo/electrochemical catalysis》，系統總結并詳細讨論了基于COFs的納米反應器功能材料在可持續光/電催化方面的研究進展。

王钰傑研究員、方千榮教授、劉健教授為共同通訊作者，李海濤博士和劉建川博士研究生為共同第一作者，澳门京葡娱乐网為第一通訊單位。

背景介紹：

學習自然一直被研究者認為是進行科學創造和科學生産的最佳驅動力。細胞，是生物體組成的基本結構和功能單元，其内部時刻有條不紊地發生着一系列生物化學反應，以維持正常生命活動。這歸因于細胞膜、細胞器等多層次的腔室結構和特定的生化功能。受此啟發，研究者基于細胞仿生構建了系列功能材料，即納米反應器（Nanoreactor）。細胞仿生納米反應器通常具有以下代表性的結構特征：（1）典型的腔室或者限域結構。在界限明顯的腔室或者孔道構築的限域空間内，化學反應行為與常規體相催化截然不同，特别是動力學參數往往會顯著增強。（2）具有分級結構且可調的孔道結構。發達的孔道結構可以暴露更多活性位點，強化反應物/産物分子傳質效率。另外，由于孔徑尺寸和形狀可調，可以産生分子識别、擇形催化等效應。（3）多維度功能界面。殼層内外、不同腔室/孔道為活性位提供豐富可選的錨定位置，同時實現化學微環境的按需調控。截至目前，研究者相繼開發了基于金屬氧化物、分子篩、氧化矽、有機聚合物等不同化學成分和中空、多殼層、多腔室、球形、多面體、管狀、不對稱結構等不同形貌的納米反應器催化材料，廣泛應用于儲能、催化、生物醫學等領域。

共價有機框架（COF）材料，是一類有機構建單元通過共價鍵連接，形成具有周期性結構的多孔骨架材料，具備高度結晶性和多孔結構的特點，展現出出色的結構定制性和化學穩定性，是框架化學的重要研究内容。自2005年，由Omar Yaghi教授團隊首次合成二維COF，COFs迅速成為功能材料領域中備受矚目的研究對象。主要體現在合成方法的創新、結構的多樣化以及材料穩定性的顯著提升。尤其是通過引入不同的有機單體和合成策略，研究人員可以精确調控COF的孔徑、形狀和功能屬性。這樣高度可調的性質為COF在諸多應用領域發展成為理想的功能材料。特别值得一提的是，研究者采用納米反應器工程策略，發展了系列材料合成方法，精準構築了不同COFs基納米反應器催化材料，極大豐富了材料合成方法；深入探究并理解了不同微觀結構誘導的介觀傳質、限域富集、界面耦合等獨特“構效關系”，建立了納米反應器相關理論體系，在光/電催化環境小分子轉化方面取得了顯著成果。

自然細胞和納米反應器對比示意圖

文章内容速覽：

1.   文章首先介紹了納米反應器功能材料相關概念，列舉了其典型的微觀結構特征以及獨特的“構效關系”。

2.   回顧了COFs材料發展曆史，總結了基于“拓撲學”的COFs合成結構單元，重點梳理了代表性的COF基納米反應器材料及其應用領域。

3.   詳細總結了COF基納米反應器構築方法，包括：硬模闆法、軟模闆法、自模闆法和無模闆法等，客觀評述了不同方法的優點和局限性。

4.   深入讨論了基于“Ostwald”熟化、“Kirkendall”效應和“自下而上”自組裝等材料合成反應機理。

5.   系統分析了COF基納米反應器在全解水、CO2資源化利用、雙氧水生産等可持續光/電催化方面的成功應用案例，并深入分析了材料設計理念和催化反應機理。

6.   基于當前COF基納米反應器的研究現狀，作者在精準合成、先進技術表征、特殊功能化和可持續催化實際應用等方面提出了未來發展方向和挑戰。

 

代表性COF基納米反應器發展曆史

 

COFs合成中設計的代表性“拓撲學”結構 (a)，COF基納米反應器構築方法：硬模闆法 (b)，軟模闆法 (c)，自模闆法 (d)和無模闆法 (e)

COF基納米反應器可控合成中涉及的“Ostwald”熟化、“Kirkendall”效應反應機理示意圖

COF基納米反應器的典型結構特征、獨特的“構效關系”和光/電催化應用

 

COF基納米反應器未來發展方向

緻謝：

該論文得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國博士後科學基金和澳门京葡娱乐网高層次人才項目等項目基金的支持。

詳細内容請參閱原文：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010854524005861

Haitao Li#, Jianchuan Liu#, Yujie Wang*, Chunsheng Guo, Yutong Pi, Qianrong Fang* and Jian Liu*, Hollow Covalent Organic Framework (COF) Nanoreactors for Sustainable Photo/electrochemical Catalysis, Coordination Chemistry Reviews 523(2025) 216240.