COF有机水凝/气凝胶登顶JACS

张明 2023-12-07

凝胶是一种普遍存在的材料，最初横跨多种生物生命和非生命系统，但如今可以扩展到许多技术应用和商业产品。

根据其流体成分，凝胶主要可分为有机凝胶、水凝胶、有机水凝胶和气凝胶。其中，有机水凝胶因其独特的溶剂交换性、抗冻性、保水性、可调节的表面润湿性、形状记忆效应和可定制的功能性而越来越受到关注。此外，有机水凝胶由于其溶剂可交换性，可以弥合有机凝胶和水凝胶之间的差距；也就是说，有机水凝胶能够通过溶剂交换转化为水凝胶或有机凝胶，甚至通过冷冻干燥转化为气凝胶，从而打破不同类型凝胶之间的差距。因此，开发新型的有机水凝胶具有很高的通用性，具有重要的意义。尽管在有机水凝胶和相关装置的开发方面取得了重大进展，但仍有许多挑战需要解决：（i）目前有机水凝胶的多样性和合成技术仍然有限；（ii）保持耐溶剂交换的有机水凝胶的结构完整性和功能是具有挑战性的。

共价有机框架（COFs）作为一类新兴的结晶多孔聚合物材料，由于其结构明确、功能可定制、孔径可调、高孔隙率、以及高的化学/热稳定性。COFs可能是制备COF凝胶的理想候选者，原因如下：（i）可设计的反应单体可以控制反应途径，促进凝胶形成；（ii）丰富的COF形貌可以支持自下而上的凝胶形成（例如，COF纤维、COF纳米片和COF整料赋予了在COF凝胶内逐渐交联的可能性）；（iii）COFs中丰富的官能团有助于凝胶网络的形成（例如氢键、库仑力、物理纠缠）；（iv）COF结构的坚固性赋予了COF凝胶良好的稳定性（例如，空气稳定性、溶剂稳定性、pH稳定性）。目前，只有有限数量的COF凝胶被报道，主要用作气凝胶和有机凝胶，用于染料和油水分离、有机溶剂的吸收、碘吸附、锂离子电池等。COF有机水凝胶的开发仍有待开发。而且，溶剂交换性、抗冻性和COF凝胶的形成机制尚未得到探索。因此，开发通用、简单和可扩展的策略来制备COF凝胶，特别是有机水凝胶，是非常理想和必要的。

根据文献，有机水凝胶的形成通常由两个过程组成。首先，启动聚合过程以产生长分子链。聚合速率的调节（例如，降低温度和浓度，降低催化剂活性）在该过程中至关重要。其次，长分子链通过化学或物理相互作用（如氢键）进一步交联形成网络。也就是说，有机溶剂通过氢键与水分子形成团簇，然后二元溶剂通过聚合物链上的氢键固定，最终形成有机水凝胶网络。因此，合理的设计原则是设计含有氢键给体/受体部分的单体/聚合物，如羟基，可以形成氢键，并合理选择具有氢键给体基团的有机溶剂，如水、乙二醇和甘油。同时，有必要采取合成策略来减缓反应速率，为实现COF有机水凝胶的有效构建提供机会。

DOI: 10.1021/jacs.3c09284

内容来源：网络

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审　　核：何发

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