近年來共價有機框架材料（Covalent Organic Frameworks，COFs）受到廣泛的關(guān)注，在氣體吸附、催化和光電等領(lǐng)域得到廣泛的研究，其中共價三嗪環(huán)骨架（Covalent Triazine Frameworks， CTFs）由于具有豐富的氮原子骨架和穩(wěn)定的化學結(jié)構(gòu)，在氣體吸附分離、光催化以及能源儲存等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，然而傳統(tǒng)的共價三嗪骨架材料一般通過離子熱法或通過強酸催化的方法制備，這些制備方法條件苛刻、單體來源有限，限制了進一步發(fā)展和大規(guī)模制備。
譚必恩教授課題組采用了一種全新的縮聚方法作為構(gòu)建共價三嗪環(huán)骨架的新策略, 實現(xiàn)了在低溫和簡易條件下制備三嗪環(huán)骨架材料(圖1，CTF-HUSTs)。該類材料具有層狀結(jié)構(gòu)和高比表面積，更為重要的是，材料保持了本征的能帶結(jié)構(gòu)，避免了高溫碳化失去能帶結(jié)構(gòu)的缺點。
圖1. CTF-HUSTs的合成反應(yīng)機理和代表性結(jié)構(gòu)
圖2. (a) CTF-HUST-1的PXRD 圖，藍色為實驗曲線; (b) CTF-HUST-1的高分辨透射電鏡圖;
(c) CTF-HUST-1的原子力顯微鏡圖; (d) CTF-HUST-1的層厚度圖
通過PXRD表征，發(fā)現(xiàn)該類材料具有一定的結(jié)晶性的結(jié)構(gòu), TEM和AFM發(fā)現(xiàn)該類具有層狀結(jié)構(gòu)。因而該類材料為一類新型的層狀材料 （圖2）。
圖 3. (a) 氮氣吸附曲線 (b) 孔分析曲線; (c) 氫氣吸附曲線 at 77 K (d) CO2 吸附曲線at 273 K.
通過氮氣吸附-脫附測試表明該類具有很高的比表面積，孔分析表明材料具有微孔和介孔結(jié)構(gòu) （圖3）。對材料的CO2和H2氣體吸附能力進行測試發(fā)現(xiàn)其具有很高的CO2和H2吸附能力，最高的CO2的吸附能力達到13.8 wt% at 273 K，最高的氫氣吸附能力達到1.30 wt% at 1.00 bar and 77 K （圖3）。
圖4. (a) 紫外可見吸收光譜; (b-e) CTF-HUSTs樣品的照片; (f)光解水產(chǎn)氫的時間-產(chǎn)氫量曲線 (>420 nm) and CTF-HUST-2 樣品的5次循環(huán)測試曲線; g) CTF-HUSTs樣品的產(chǎn)氫量柱狀圖。
通過光解水測試，發(fā)現(xiàn)該類材料具有優(yōu)異的光催化產(chǎn)氫性能，在可見光下最大產(chǎn)氫量達2647μmol h-1 g-1，相比同類材料具有很大的提升（圖4）。由于獨特的層狀結(jié)構(gòu)，材料在碳化之后還可作為鈉離子電池的負極材料，最大充放電容量高達467 mAh g-1。該研究為該類材料的發(fā)展提供了一種新的策略，推動了該領(lǐng)域的進一步發(fā)展。
相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.上（DOI:10.1002/anie.201708548），第一作者為王科偉博士，譚必恩教授和金尚彬副教授是論文的共同通訊作者。論文作者還包括華中科技大學楊利明研究員、博士生郭莉萍、程光、張春副教授、北京交通大學王熙教授，英國利物浦大學Andrew. Cooper院士。
研究工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃國際科技合作重點專項、國家自然科學基金以及華中科技大學自主創(chuàng)新基金交叉學科重點項目的資助。
論文鏈接如下：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201708548/full
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