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  共價(jià)有機(jī)框架材料是新興的晶態(tài)多孔材料，是完全通過強(qiáng)共價(jià)鍵將純有機(jī)的構(gòu)筑模塊鏈接起來成二維或三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因其具備明確的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性和化學(xué)穩(wěn)定性而成為材料化學(xué)的研究熱點(diǎn)和網(wǎng)狀化學(xué)的前沿挑戰(zhàn)。然而，COF晶體的制備需要在控制共價(jià)鍵形成的速率和可逆性的同時(shí)調(diào)節(jié)晶體的成核和生長(zhǎng)，因其極具挑戰(zhàn)性而被稱為“結(jié)晶困局”（Crystallization problem）。雖然由亞胺鍵鏈接COF大尺寸晶體的制備已經(jīng)出現(xiàn)了突破性進(jìn)展，但是其合成產(chǎn)率、效率和產(chǎn)量仍有待提高。因此，章躍標(biāo)課題組試圖開發(fā)一種簡(jiǎn)便而可規(guī)模化的制備方法，以便進(jìn)一步開展結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)聯(lián)性研究及面向大規(guī)模的功能應(yīng)用。

  上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院系統(tǒng)材料學(xué)研究部章躍標(biāo)教授課題組在動(dòng)態(tài)共價(jià)有機(jī)框架的研究中取得進(jìn)展，解決了其結(jié)晶均一性和宏量制備的難題，首次發(fā)現(xiàn)了該類材料客體依賴和氣體響應(yīng)的動(dòng)態(tài)行為。該研究成果以“Guest-Dependent Dynamics in a 3D Covalent Organic Framework”為題，在《Journal of the AmericanChemical Society》上在線發(fā)表。

  該材料合成方法的研究由2015級(jí)本科生陳翌翀同學(xué)獨(dú)立完成。在實(shí)驗(yàn)中，他借鑒了MOF晶體的簡(jiǎn)便制備方法，率先采用了常壓和易觀測(cè)的玻璃小瓶作為反應(yīng)容器，進(jìn)行COF-300的結(jié)晶合成。通過紅外光譜、13C固體核磁、X射線衍射、掃描電鏡和電子衍射等一系列測(cè)試證實(shí)產(chǎn)物確實(shí)為目標(biāo)的高度結(jié)晶、形貌均一、高轉(zhuǎn)化率和高產(chǎn)率的COF材料。該合成方法還具有可規(guī)模化的特點(diǎn)，采用更大容量的玻璃瓶，即可獲得克級(jí)的高品質(zhì)樣品，開啟了利用改變結(jié)晶條件控制COF結(jié)晶程度的新合成范式。

圖1.（a）傳統(tǒng)方法與研發(fā)方法的COF結(jié)晶機(jī)理和結(jié)果對(duì)比;（b）COF-300的簡(jiǎn)便合成和可規(guī)模化制備

  然而在進(jìn)一步開展性能研究時(shí)，該樣品一開始在77K并不能被觀測(cè)到有氮?dú)馕叫袨椋@令研究團(tuán)隊(duì)感到困惑。之后，課題組成功利用解析了三種不同狀態(tài)的COF-300的框架結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)有機(jī)溶劑分子和水分子能分別誘導(dǎo)COF-300發(fā)生晶體膨脹和收縮，闡釋了該類框架材料的結(jié)構(gòu)可適應(yīng)性和客體依賴性。這種溶劑誘導(dǎo)的可伸可縮框架行為類似于生物酶在催化過程中對(duì)底物和溶劑的動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制，為仿生智能材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了新思路。此外，課題組還首次采用了氣體吸附原位粉末X射線衍射聯(lián)用技術(shù)證實(shí)了在氣體吸附過程中，框架結(jié)構(gòu)也發(fā)生了動(dòng)態(tài)的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，為其在氣體存儲(chǔ)與吸附分離應(yīng)用方面提供了新的平臺(tái)。

圖2.COF-300的客體依賴的可脹可縮動(dòng)態(tài)行為（a）及其框架幾何變化（b）

  2015級(jí)本科生陳翌翀、2014級(jí)博士研究生師兆麟和2015級(jí)博士研究生魏蕾為論文并列第一作者，章躍標(biāo)教授和周浩龍博士為共同通訊作者，上海科技大學(xué)為第一完成單位。該研究項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金和博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃的資助。

  文章鏈接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/jacs.8b13691