共價三嗪環骨架材料合成的新策略及高效應用

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共價有機骨架材料（Covalent Organic Frameworks，COFs）由於具有規整的有序結構、可調控的孔道結構，近年來受到廣泛的研究和關注，在氣體吸附、催化和光電等領域得到大量的應用研究。共價三嗪環骨架（Covalent Triazine Frameworks，CTFs）由於具有豐富的氮原子骨架和穩定的化學結構，在氣體吸附分離、光催化以及能源儲存等領域具有廣闊的實際應用前景。然而傳統的共價三嗪骨架材料一般通過離子熱法或強酸催化的方法製備，這些方法條件苛刻、單體來源較為有限，限制了材料的大規模製備、結構多樣化以及實際應用。

Figure 1. CTF-HUSTs合成的反應機理和代表性結構。

華中科技大學的譚必恩教授和金尚彬副教授發展了一種全新的共縮聚方法作為構建共價三嗪環骨架的新策略，實現了低溫和簡易條件下製備共價三嗪環骨架材料。該類材料具有層狀結構和高比表面積，更為重要的是，材料保持了本徵的能帶結構，避免了高溫碳化失去能帶結構。

Figure 2.（a）CTF-HUST-1的粉末衍射XRD，藍色為實驗曲線；（b）CTF-HUST-1的高分辨透射電鏡成像；（c）CTF-HUST-1的原子力顯微鏡成像；（d）CTF-HUST-1的層厚度。

作者通過粉末衍射XRD表徵分析發現，該類材料具有一定的結晶性結構，高分辨透射電鏡（HR-TEM）和原子力顯微鏡（AFM）證實CTFs可以剝離為層狀結構，因而成為一類新型的層狀材料。

Figure 3.（a）氮氣吸附；（b）孔徑分布；（c）77 K下的氫氣吸附；（d）273 K溫度下的CO2吸附。

氮氣吸附-脫附測試表明該類CTFs具有較高的BET比表面積，孔徑分析證實其具有微孔和介孔結構。材料的CO2和H2氣體吸附能力測試發現該材料具有很高的CO2和H2吸附能力，最高的CO2吸附能力在273 K條件下達到13.8 wt%，最高的氫氣吸附能力在1.00 bar和77 K條件下達到1.30 wt%。

Figure 4.（a）紫外可見吸收光譜；（b）-（e）CTF-HUSTs樣品的圖像；（f）光解水的時間-析氫量曲線（> 420 nm）以及CTF-HUST-2樣品5次循環的測試曲線；（g）CTF-HUSTs樣品析氫量的柱狀圖。

通過光解水測試，作者發現該類CTFs材料具有優異的光催化分解水析氫的性能，在可見光的條件下最大析氫量可達2647 μmol?h-1?g-1，相比同類有機材料具有較大的提升。基於獨特的層狀結構，CTFs材料在碳化後還可作為鈉離子電池的負極材料，最大充放電容量可達467 mAh?g-1。

該研究為CTFs的發展提供了一種新的策略，推動該領域進一步發展，相關研究成果發表在Angew. Chem. Int. Ed.上，華中科技大學化學與化工學院作為第一完成單位，第一作者為王科偉博士，金尚彬副教授和譚必恩教授為論文的共同通訊作者，論文作者還包括化學與化工學院的楊利明研究員、2016級的博士生郭莉萍、2016級的直博生程光、生命科學學院的張春副教授，論文的合作單位還包括北京交通大學的王熙教授，華中科技大學「外專千人計劃」的獲得者、英國利物浦大學的Andrew Cooper院士。相關工作得到科技部國際科技合作重點專項、國家自然科學基金以及華中科技大學自主創新基金交叉學科重點項目的資助。

該論文作者為：Kewei Wang, Prof. Li-Ming Yang, Prof. Xi Wang, Liping Guo, Guang Cheng, Prof. Chun Zhang, Prof. Shangbin Jin, Prof. Bien Tan, Prof. Andrew Cooper

Covalent Triazine Frameworks via a Low-Temperature Polycondensation Approach

Angew. Chem. Int. Ed.,2017,56, 14149, DOI: 10.1002/anie.201708548

金尚彬副教授簡介

金尚彬，華中科技大學化學與化工學院副教授、博士生導師；2010年在上海交通大學化學與化工學院獲得碩士學位，2013年在日本國家自然科學研究機構分子科學研究所（IMS）獲得博士學位，2013年至2016年期間分別在日本國家自然科學研究機構分子科學研究所（IMS）和日本國家材料研究所（NIMS）從事博士後研究，2016年起在華中科技大學化學與化工學院工作。

http://www.x-mol.com/university/faculty/48488

譚必恩教授簡介

譚必恩，華中科技大學化學與化工學院教授、博士生導師，材料化學與服役失效湖北省重點實驗室主任，湖北省「楚天學者」特聘教授，教育部「新世紀優秀人才支持計劃」入選者，湖北省傑出青年人才基金獲得者，英國皇家化學會會士（FRSC）；1989年至1996年在湖北大學化學系學習，先後獲得學士、理學碩士學位；1996年在華南理工大學材料學院攻讀博士學位，與中國運載火箭技術研究院航天材料及工藝研究所合作開展博士論文研究，1999年獲得工學博士學位；1999年至2001年在北京航空材料研究院先進複合材料國防重點實驗室從事博士後研究，2001年至2007年在英國利物浦大學任Research Associate，2007年9月起在華中科技大學化學與化工學院工作。

http://www.x-mol.com/university/faculty/10724

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