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西湖大學(xué)徐宇曦課題組 JACS：綠色水熱合成兩性離子COFs及其高效光催化

2023-10-22 來源：高分子科技

兼具結(jié)晶性和離子特性的離子共價(jià)有機(jī)框架(COFs)近年來受到廣泛關(guān)注。離子基團(tuán)的引入可以精確控制孔隙大小和功能，包括荷電性、親水性和離子導(dǎo)電性，這在各個(gè)方面都有很大的應(yīng)用潛力。與單一的陰離子或陽離子COFs相比，兩性離子COFs同時(shí)含有陽離子和陰離子基團(tuán)，具備高偶極矩和高帶電基團(tuán)的特征，但整體仍然是電荷中性。這樣的結(jié)構(gòu)特征將為兩性離子COFs帶來超越單離子COFs的獨(dú)特功能，如可調(diào)的電荷密度、超親水性和高離子導(dǎo)電性等，在離子傳導(dǎo)、膜分離、光催化等諸多領(lǐng)域具有重要意義。然而，兩性離子結(jié)構(gòu)存在的強(qiáng)靜電斥力會(huì)極大地阻礙有序聚合和層狀排列，導(dǎo)致非晶或低晶的框架結(jié)構(gòu)，從而限制了其應(yīng)用。因此，直接從頭設(shè)計(jì)兩性離子構(gòu)筑基元進(jìn)而構(gòu)建結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高結(jié)晶的兩性離子COFs仍然是巨大挑戰(zhàn)。

近期，西湖大學(xué)徐宇曦課題組以4-二甲氨基吡啶(DMAP)為高效催化劑，采用綠色水熱合成法，以預(yù)先設(shè)計(jì)好的兩性離子單體為構(gòu)筑基元，通過與芳醛的Knoevenagel反應(yīng)直接制備了高結(jié)晶、含有兩性離子、碳碳雙鍵連接的COFs (ZVCOFs)。而嘗試的各種傳統(tǒng)溶劑熱方法和后修飾方法均無法有效獲得高結(jié)晶ZVCOFs。詳細(xì)的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表明，DMAP的高效催化活性和水的獨(dú)特作用共同促成了高結(jié)晶ZVCOFs的形成。水的加入不僅降低了反應(yīng)的活化能壘提高了反應(yīng)的可逆性，促進(jìn)二維有序聚合，而且可以水化兩性離子位點(diǎn)有利層狀堆積，從而實(shí)現(xiàn)了高結(jié)晶和高比表面的ZVCOFs。所制備的ZVCOFs可以通過簡(jiǎn)單超聲剝離得到穩(wěn)定分散在水中的超薄結(jié)晶的兩性離子二維高分子納米片。得益于其高的π共軛結(jié)構(gòu)和親水特性，ZVCOFs在可見光照射下具有2052 μmol h^?1的超高犧牲光催化產(chǎn)氫速率，在420 nm處的表觀量子產(chǎn)率高達(dá)47.1%，優(yōu)于目前報(bào)道的幾乎所有COF光催化劑。此外，ZVCOFs可以沉積在載體上作為光催化膜器件，其光催化產(chǎn)氫性能高達(dá)402.1 mmol h^?1 m^?2。這也是首次將兩性離子COF用于光催化的探索。

圖1. (a) 以前報(bào)道的兩性離子COFs的合成策略。 (b) ZVCOF-1和ZVCOF-2的合成示意圖。(c) ZVCOF-1 AA堆積的正視圖和側(cè)視圖（藍(lán)色, C; 紫色, N; 淺藍(lán)色, H; 黃色, S; 紅色, O）。

圖2. (a, c) ZVCOF-1和ZVCOF-2的PXRD譜圖。(b, d) ZVCOF-1和ZVCOF-2的N₂吸附-解吸等溫線（插圖為對(duì)應(yīng)的孔徑分布）。(e) ZVCOF-1、ZVCOF-2以及模型化合物的¹³C CP/MAS核磁譜圖。(f) ZVCOF-1和ZVCOF-2及其對(duì)應(yīng)單體的FTIR光譜。(g) ZVCOF-1和ZVCOF-2的高分辨率N1s XPS光譜。(h) ZVCOF-1在不同溶劑中處理48 h前后的PXRD譜圖。

表1. 合成ZVCOF-1反應(yīng)條件的探索與優(yōu)化

圖3. (a) 不同催化劑聚合產(chǎn)物示意圖。(b)不同催化劑水熱法合成ZVCOF-1的PXRD譜圖。(c) 不同水量下DMAP催化合成ZVCOF-1的PXRD圖譜。(d) DMAP在有水和無水條件下催化Knoevenagel反應(yīng)的歷程及活化能。(e) 二甲胺和吡啶催化Knoevenagel反應(yīng)的歷程及活化能。(f) DMAP催化Knoevenagel模型反應(yīng)中所有DFT優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)。(g) TS3和W-TS3的分子圖。(h) TS3和W-TS3的BCP特性。

圖4. (a, e) 剝離ZVCOF-1和ZVCOF-2得到的兩性離子二維高分子納米片AFM圖（插圖為相應(yīng)的穩(wěn)定水分散液照片）。(b, f) 兩性離子二維高分子納米片的TEM圖。(c, g) HRTEM圖像（插圖為對(duì)應(yīng)紅色區(qū)域的FFT圖案）。(d, h) 分別為(c)和(g)圖中的紅色方形標(biāo)記區(qū)域的傅里葉濾波圖像。(i, j)二維高分子納米片的EDX元素圖。

圖5. (a) 不同ZVCOF-1用量的光催化析氫反應(yīng)的時(shí)間歷程圖。(b) 不同用量的ZVCOF-1的光催化HER性能。(c) ZVCOF-1光催化析氫循環(huán)試驗(yàn)。(d) ZVCOF-1光催化在不同波長(zhǎng)下的AQY。(e)ZVCOF-1性能比較圖。(f) 不同質(zhì)量負(fù)載下ZVCOF-1薄膜器件的光催化析氫速率（插圖顯示相應(yīng)薄膜的照片）。(g) ZVCOF-1薄膜器件的光催化產(chǎn)氫照片。(h) ZVCOF-1薄膜器件的性能比較圖。

該研究實(shí)現(xiàn)了高結(jié)晶兩性離子COFs材料的綠色合成，揭示了水分子在COFs成核結(jié)晶中降低反應(yīng)能壘和促進(jìn)π-π堆積的重要作用，展示了兩性離子COF優(yōu)異的光催化性能，為理性設(shè)計(jì)制備具有離子特性和光電性能的新型COFs和二維高分子提供了新的思路。與此同時(shí)，DMAP水熱策略可以拓展到合成其他碳碳雙鍵、酮烯胺COFs材料，表現(xiàn)出良好的普適性。

上述工作以“Hydrothermal Synthesis of Highly Crystalline Zwitterionic Vinylene-Linked Covalent Organic Frameworks with Exceptional Photocatalytic Properties”為題發(fā)表在Journal of the American Chemistry Society上并被選為supplementary cover。文章的第一作者為西湖大學(xué)助理研究員章昭，徐宇曦研究員為本文的通訊作者。徐宇曦課題組近年來圍繞二位功能高分子及晶態(tài)多孔聚合物的設(shè)計(jì)合成、可控組裝加工及其在儲(chǔ)能、催化、環(huán)境的高效應(yīng)用開展了系列工作（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 11666; Adv. Mater. 2017,?29, 1703324; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 15677; Adv. Mater. 2018,?30,?1705401; Adv. Mater. 2018,?30, 1800838; ACS Nano 2019, 13, 2473; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 8247; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 24915; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 25381; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202113926; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202203327; J. Am. Chem. Soc. 2023,?145, 12745; CCS Chem. 2023, DOI: 10.31635/ccschem.023.202303111），該工作是課題組的最新進(jìn)展，歡迎交流指教。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c08220

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（責(zé)任編輯：xu）

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