2024-05-05 11:59 来源：本站编辑
休斯顿-(2023年12月18日)-莱斯大学材料科学家开发了一种快速，低成本，可扩展的方法来制造共价有机框架(COFs)，这是一类晶体聚合物，其分子结构可调，表面积大，孔隙率高，可用于能源应用，半导体器件，传感器，过滤系统和药物输送。
“这些结构之所以如此特别，是因为它们是聚合物，但它们以有序、重复的结构排列自己，使其成为晶体，”莱斯大学博士生、发表在ACS Nano上的一项研究的主要作者杰里米·道姆(Jeremy Daum)说。“这些结构看起来有点像铁丝网，它们是六边形晶格，在二维平面上重复自己，然后它们堆叠在一起，这就是你如何得到一个分层的二维材料。”
莱斯大学博士校友、该研究的另一位主要作者Alec Ajnsztajn表示，这种合成技术使得利用气相沉积在创纪录的时间内生产有序的二维晶体COFs成为可能。
“很多时候，当你通过溶液处理制作COFs时，胶卷上没有对齐，”Ajnsztajn说。“这种合成技术使我们能够控制薄片的方向，确保孔隙对齐，这是你在制造膜时想要的。”
控制孔隙大小的能力在分离器中很有用，COFs可以作为脱盐膜，并有可能帮助取代像蒸馏这样的能源密集型过程。在电子领域，COFs可以用作电池分离器和有机晶体管。
“COFs有潜力在各种催化过程中发挥作用，例如，你可能会使用COFs将二氧化碳分解成有用的化学物质，如乙烯和甲酸，”Daum说。
阻碍COFs得到更广泛使用的障碍之一是，涉及溶液处理的生产方法耗时较长，难以适应工业环境。
Ajnsztajn说:“生产COFs所需溶液的粉末可能需要3到5天的反应时间。”“我们的方法快得多。经过几个月的优化，我们成功地在20分钟或更短的时间内制作出高质量的电影。”
为了确保他们的薄膜呈现出正确的分子结构，Daum和Ajnsztajn去了阿贡国家实验室，在那里他们使用先进的光子源分析了他们的样品，连续工作了71个小时。
道姆说:“我们知道是‘开始’的时候了，但我们对结果非常满意。”“我们不得不去国家实验室，因为这种技术是衡量我们电影质量的唯一方法，并确保我们采取了正确的措施来优化它们。”
显微镜研究提供了对COF晶体生长方式的深入了解，并帮助证明了高达340摄氏度(~644华氏度)的温度可以用来合成有机分子。
Ajnsztajn说:“在这个项目中，我们听到很多人认为将有机分子加热到如此高的温度会阻止正确的反应发生，但我们发现化学气相沉积实际上是一种创造有机材料的可行方法。”
为了制造COFs, Daum和Ajnsztajn用废弃的实验室设备部件和其他便宜、现成的材料建造了一个特别的反应器。
“整个过程的组装成本非常低，”道姆说。“建立一个强大的、可扩展的生产各种COF薄膜的工艺，有望使COFs在催化、储能、膜等方面得到更好的应用。”
Benjamin M. and Mary Greenwood Anderson工程教授、材料科学和纳米工程教授兼主席、化学、化学和生物分子工程教授普利克尔·阿贾扬(Pulickel Ajayan)和化学和生物分子工程教授、材料科学和纳米工程教授拉斐尔·韦尔杜斯科(Rafael Verduzco)是该研究的通讯作者。
该研究得到了韦尔奇基金会(C-2124)、国家科学基金会(2247729,1842494)、美国空军科学研究办公室和克拉克森航空航天公司(FA9550-21-1-0460)、美国空军研究实验室和UES (S-119-005-003，奖励号116000，项目名称G10000097)的支持。
