具有可调大介孔的二维分级多孔共价有机框架材料
具有可调大介孔的二维分级多孔共价有机框架材料
华东师范大学刘少华团队开发出一种室温水相聚合诱导的共组装策略，成功制备出具有本征微孔和可调大介孔的二维分级多孔共价有机框架基纳米片。这一创新性研究成果于2024年6月26日在Chem期刊发表，为可定制化分级多孔晶态材料及其应用前景提供了新的见解。
共价有机骨架（COFs）具有有序的孔结构、高比表面积、优良的化学稳定性和易功能化等优势，在吸附与分离、传感、生物医学、催化和能源储存等领域显示出巨大潜力。然而，目前在COFs中造孔的研究仍面临诸多挑战，如难以同步调控形貌和多级孔隙结构、孔径集中在大孔尺度上、合成条件苛刻等。
针对这些问题，该团队首次开发了一种聚合诱导共组装（PICA）策略，以获得具有本征的微孔（1.2 nm）和可调的大介孔（7到40 nm范围）的二维分级多孔COF基（HPCOF@GO）纳米片，并探索了其作为锌碘电池（ZIBs）的碘宿主性能。
图1：通过聚合诱导共组装策略制备二维HPCOF@GO纳米片的示意图。
研究团队选择氧化石墨烯（GO）作为二维结构导向剂，二氧化硅（SiO2）纳米颗粒作为成孔剂，在室温下协同引导水合肼（Hz）和1,3,5-苯三甲醛（BTCA）在水溶液中聚合，最终形成COFs。GO不仅能作为二维形貌模板，还能同时作为促进单体的预组装的催化剂和诱导COF初始成核的引发剂，使得纳米片能够在室温下结晶。
所得HPCOF@GO纳米片呈现出良好的结晶性和高比表面积（高达605.31 m2g−1），厚度约为24 nm，具有独特的三明治状夹心结构，两侧均分布有密集的介孔（图2）。通过改变SiO2的粒径，可在7-40 nm范围内对材料进行介孔孔径的调控，最大孔径接近介孔极限（图3）。此外，纳米片的横向尺寸和成孔剂也可以进行调节。
图2：HPCOF@GO的结构表征。
图3：HPCOF@GO的孔径调控。
考虑到独特的二维结构和充分暴露的分级孔隙带来的对碘的优异物理化学吸附作用，研究团队对HPCOF@GO纳米片作为ZIBs碘宿主材料的应用潜能进行了研究。DFT理论计算表明，Hz-BTCA COF对多碘化物具有较强的吸附作用（图4）。电化学测试进一步证明，负载碘后的材料应用于ZIBs时，展现出优异的倍率性能（0.5 A g−1电流密度下，容量为191.2 mAh g−1）和卓越的长循环稳定性（3 A g−1电流密度下循环20000圈后，容量为154.8 mAh g−1），是一种很有竞争力的碘宿主材料（图5）。
图4：对Hz-BTCA COF的结构和电子特性的理论认识。
图5：电化学性能及锌碘电池化学机理研究。
这一创新性研究成果不仅为制备二维分级多孔COFs提供了新的方法，也为开发高性能储能材料开辟了新的途径。此外，该研究还展示了PICA策略在制备其他二维多孔聚合物方面的潜力，为相关领域的研究提供了新的思路和借鉴。
本文原文来自科学网