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MOF的新竞争:科学家们制造更强大的COF

2019-03-20 11:57:25来源:

被称为COF(共价有机骨架)的空心分子结构,可用作其他物质的选择性过滤器或容器,并具有许多其他潜在用途,也往往存在固有问题:难以保持连接的COF网络苛刻化学环境。

用于将构建块链接到2D COF板或3D COF框架的常规化学是可逆的。这种可逆性使得COF内的连接在某些化学环境中变弱且不稳定,限制了这些COF材料的实际应用。

现在,能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的一个团队使用了几十年前发现的化学过程,使COF之间的联系更加坚固,并为COF提供了可扩展其应用的新特性。

“这就像'编织'和焊接方法,”伯克利实验室分子铸造厂的科学家刘毅说。刘带领一个团队,了解如何加强绑定COF的最薄弱环节。

这种简单的化学方法针对这些薄弱环节区域的化学反应,形成弹性结合,在实验过程中显示出与强烈焊接相似的坚固化学环境。

该研究小组在“ 自然通讯 ”杂志上发表的一项研究中详细介绍了该研究结果,详细介绍了该技术的工作原理。

“我们在这里表明,这些债券对各种化学品都非常稳定。我们已经尝试过苛刻的条件,而且它仍然维持这些债券,”刘说。“这打败了文献中报道的一切。”

他指出,化学转化通过改变其电子和光学(基于光)特性,使COF之间的键更有用。“它们可以在反应后更容易地转移电子,”他说,因此这些强烈结合的COF的2D层表现得更像石墨烯,这是另一种具有特殊电子和光学特性的奇异2D材料。

分子铸造厂的博士后研究员和该研究的主要作者Xinle Li说:“我们在20世纪60年代首次报道了这一反应过程,这是一种新生活。我们首次将它应用于COFs。”

COF已被大量研究,因为它们具有高度可调性,可完全由碳,氢,氮和氧等轻元素组成 - 与称为MOF(金属 - 有机骨架)的结构不同,后者含有较重的元素。科学家们可以制造出不同孔径的COF,它们可以影响它们的功能,改变可以通过它们的物质或者可以包含在这些孔隙中的物质。

这可以使基于COF的材料在从水中过滤不需要的化学物质的系统中有用,例如,将二氧化碳减少为其他增值化学形式,或者作为其他类型化学过程的高效促进剂。

Liu和Li说,该研究的一个重要方面是使用先进的成像技术,如分子铸造厂的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)来观察结合COF的结构。

研究人员表示,所获得的图像清晰地显示了2D COF的蜂窝状晶格,是COF中最好的图像之一,证实了COF中的化学变化低至几分之一纳米(纳米是10亿分之一)。仪表)。

“在反应之前和之后,孔径变化约0.3纳米,刘说。”你可以看到反应前后的这些差异。

为了进行化学修饰反应,研究人员将COF置于加热至约230华氏度的液体溶液中,然后将其搅拌。

研究人员表示,应该可以扩大基于COF的材料的数量,并且该团队已经尝试使用COF板与其他材料层来定制组合材料的功能。

该团队计划测试如何更好地自动化这些COF材料的生产,并且还将寻求使反应过程更有效的方法。该团队将探索理论,以帮助理解和改进COF改变化学。

“我们希望这种化学改性过程更快更好,”李说。“我们希望我们能够使反应条件更温和,并进一步提高COF的化学稳定性和功能性。”

该团队的工作是分子铸造厂新项目的首次发布工作之一,旨在推进“组合纳米科学”,专注于使用高通量工艺,结合理论和成像技术,创建和研究作为组件的纳米结构在具有增强特性的新材料中。