MOFs在線 - Nature Communications丨生態中心在穩定連接共價有機框架納濾膜研究中取得進展－鑽石舞台

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中國科學院生態環境研究中心環境化學與生態毒理學國家重點實驗室蔡亞岐研究組通過Doebner反應構建了4-羧酸喹啉連接的共價有機框架QL-COFs，與環境水質學國家重點實驗室王軍研究組合作，利用QL-COFs對商品化納濾陶瓷膜管進行修飾，製備得到QL-COF納濾膜，並將其應用於有機分子及鹽的納濾篩分。近日，相關研究成果發表在《自然-通訊》（Nature Communications，DOI：10.1038/s41467-022-30319-2）上。

共價有機框架（Covalent Organic Frameworks，COFs）是新型的晶態多孔有機聚合物，近年來受到關注。可逆反應通常被認為是合成結晶COFs的必要條件。然而，可逆反應生成的可逆共價連接化學鍵穩定性較差，使COFs難以在實際應用環境中長時間保持晶態的多孔框架結構。因此，開發新型有機縮合反應合成具有穩定共價連接的COFs，對於拓展COFs結構和功能的多樣性及其應用頗為重要。

利用亞胺的化學活性，蔡亞岐研究組巧妙地通過多組分Doebner反應構建了亞胺衍生4-羧酸喹啉連接的QL-COFs。Doebner反應具有可逆-不可逆順序的反應歷程，通過芳醛、芳胺和丙酮酸的三組分一鍋反應和亞胺COFs的合成後修飾均可構建高結晶度、高孔隙度的QL-COFs。此方法不需要特殊的有機單體設計，理論上能夠推廣到大部分已報道的亞胺COFs中。材料表徵發現，4-羧酸喹啉連接的QL-COFs具有良好的穩定性，能夠耐受強酸強鹼等。此外，相比於對應的亞胺連接COFs，QL-COFs的孔徑發生收縮，高密度羧基的分布顯著提升了QL-COFs的親水性。基於上述特點，蔡亞岐研究組與王軍研究組合作，運用QL-COFs對商品化剛玉陶瓷納濾膜管進行修飾，製備了QL-COF膜材料。納濾實驗發現，QL-COF膜對分子尺寸大於其孔徑1.4 nm的有機分子均可實現99%以上的截留率，尺寸排阻效應是其主要的分離機理。同時，QL-COFs良好的親水性使納濾膜表現出高達850 L m-2 h-1 MPa-1的水通量，QL-COF納濾膜性能穩定且能夠耐酸耐鹼。電驅動的陽離子納濾篩分實驗表明，QL-COF膜對大尺寸陽離子Oct4N+、Dodec4N+同樣能夠實現高效納濾截留。

該研究為新型穩定連接COFs的設計合成提供了新思路，並為開拓COFs的應用提供了新參考。研究工作得到國家自然科學基金和國家重點研發計劃的支持。