北理工王博、馮霄團隊在有機多孔骨架領域取得研究新進展
發布日期：2019-02-22 供稿：化學與化工學院 馮霄
編輯：秦月 審核：周明宇 閱讀次數：有機多孔材料包括共價有機骨架材料（COFs）、共軛微孔聚合物（CMPs）、多孔芳香骨架材料（PAFs）等，是一類新型的具有高比表面積、豐富孔內環境的多孔高分子材料。這類材料在氣體吸附與貯存、催化等領域表現出優異的應用前景。王博教授、馮霄特別研究員在這一領域開展系列研究，并于近期取得以下研究成果。
水污染等環境問題是當今社會面臨的一大挑戰，通過光催化反應對污染物進行高級氧化降解有望成為一種更加高效、節能的污染物處理方法。王博、馮霄團隊通過三鍵聚合反應構筑了系列基于二茂鐵基元的共軛微孔聚合物（Fc-CMPs）用于有毒有害物質降解研究。Fc-CMPs具有較大的孔徑和比表面積，使得污染物容易進入孔道進行預富集并可充分接近易發生氧化還原反應的內表面，同時Fc-CMPs合適的分子軌道能級使得這類材料可高效產生活性氧物種。在可見光和模擬太陽光下，Fc-CMPs光催化降解亞甲藍的能力均優于二氧化鈦 (P25)，并且能夠將化學戰劑芥子氣模擬物（2-氯乙基乙基硫醚）完全轉化為無毒產物。該研究工作發表在德國應用化學上（ Angew. Chem. Int. Ed. , 2019, DOI: 10.1002/anie.201813598），文章第一作者為博士生馬麗，通訊作者為王博和馮霄。
在前期工作中（ Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56 , 16313，第一作者為博士生張媛媛，通訊作者為馮霄），該團隊曾成功開發出基于環糊精的三維共價有機骨架材料（CD-COFs），該系列COFs為首次利用柔性基元構筑的具有 rra 拓撲學結構并通過離子型硼元素連接的三維COFs材料。其中，CD-COF-LiéLiPF6-EC-DMC的室溫鋰離子電導率可以達到2.7 mS cm-1。然而，其中殘留的微量電解液可能會在實際應用過程中帶來一定的安全隱患。為解決這一問題，該團隊將低分子量聚乙二醇（PEG）裝載入COF孔道中加速鋰離子傳導，制備出沒有溶劑殘留的全固態電解質，并系統性研究了COF骨架電荷對于鋰離子傳導行為的影響，實現大于0.6的鋰離子遷移數以及120 °C 下1.8 mS cm?1的離子傳導速率。這一簡單的通過擔載PEG加速離子傳導并提高工作溫度范圍的策略為將多孔材料進一步應用于全固態電池領域提供了可能。該研究工作發表在美國化學會志上，并被選為封面文章（ J. Am. Chem. Soc. , 2019, 141, 1923），文章第一作者為碩士生郭振彬和博士生張媛媛，通訊作者為王博和馮霄。
有機多孔材料大多不溶不熔，為其進一步器件化等實際應用帶來了巨大挑戰。該團隊在前期大量成膜化研究基礎上，成功利用液液界面成膜法開發了具有不同長度烷氧基鏈修飾的系列COF薄膜材料，并對其介電常數等相關性質進行了研究。該系列柔性的COF膜具有接近于空氣的介電常數值（在105 Hz下， κ = 1.19 ± 0.04），可媲美目前已報道的無機多孔材料，并且這類COF薄膜材料表現出較好的機械性能、低介電損耗、高擊穿電壓、低漏電流、高抗濕度和抗彎折能力。低介電常數材料被廣泛應用于電子電路器件中的絕緣層，用于減少信號延遲、串擾噪聲和能量耗散。除此之外，高介電常數材料可以應用于場效應晶體管的柵極和電容器當中，該團隊還利用COF薄膜裝載小分子極性化合物，可將其介電常數提升43倍。該研究工作發表在德國應用化學上（ Angew. Chem. Int. Ed. , 2018, 57, 16501），文章第一作者為博士生邵鵬鵬、李婕，通訊作者為王博和馮霄。
上述相關文章鏈接如下：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201813598；https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/jacs.8b13551； https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201710633；https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201811250。
附團隊成員介紹：
王博，特聘教授，前沿交叉科學研究院執行院長。國家杰出青年基金獲得者，科技部中青年科技創新領軍人才。獲 “中國化學會青年化學獎”?，F任國際IZA學會MOF Commission常務理事，中國交通部環境與可持續發展學會常務理事，中國化學快報和中國化學學報等雜志編委。研究方向主要涉及無機有機多孔骨架材料及成膜研究，在大氣治理、污染物濾除和降解、儲能等領域開展系列研究工作。已在Nature、Science、JACS、Angew.等學術期刊上發表60余篇論文，SCI他引超過7000次?？諝鉃V膜等技術已經與相關企業合作，實現了規模化量產與工業化應用。
馮霄，特別研究員，化學與化工學院。研究方向主要為共價有機骨架材料等結晶多孔材料的構效關系研究。以第一或通訊作者發表包括5篇J.Am.Chem.Soc.、5篇Angew.Chem.Int.Ed.、2篇Adv.Mater.等28篇文章。全部論文他引3200余次，H指數30。研究成果受到國內外學者的認可和關注，被國際專業期刊多次評述報道。
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