科研動態(tài)︱我院熊孝根副教授聯(lián)合清華大學(xué)研究團隊在《Nature Communications》發(fā)表重要研究成果

發(fā)布人：周越發(fā)布日期：2025-03-27

　　近日，國際著名綜合性期刊《自然×通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表《General synthesis of covalent organic frameworks under ambient condition within minutes via microplasma electrochemistry approach》的研究論文。該研究報道了一種采用微等離子體電化學(xué)方法（MIPEC）合成共價有機框架（COFs）的新方法，該方法較傳統(tǒng)的溶劑熱法所制得的COFs相比具有更大的比表面積。實驗和理論計算均顯示研究中所合成材料對揮發(fā)性碘具有較好的吸附性能，為篩選用于吸附放射性碘的COFs提供了一種快速合成方法。

圖一：文章于2025年3月15日在線發(fā)表于Nature Communications

　　放射性碘同位素通常具有很長的半衰期（如129I的半衰期約為1.57′107年），因而碘同位素是放射性廢物危害的主要來源。在揮發(fā)氧化過程中會有大量的碘以單質(zhì)形式釋放，而碘被人體攝入后易于積聚在甲狀腺中，從而對人體造成傷害。因而，放射性碘同位素的高效捕獲對于人類健康和環(huán)境保護均具有重要的意義。
　　作為一種新型材料，COFs由于具有規(guī)整可控的結(jié)構(gòu)、大的比表面積、良好的穩(wěn)定性和易于功能化等多種優(yōu)點而被視為捕獲碘的理想候選材料，開發(fā)對碘具有高吸附能力的共價有機框架引起了廣泛的關(guān)注。MIPEC方法合成的策略如圖二所示，我們將此方法合成的COFs稱為MP-COFs。相比于傳統(tǒng)的溶劑熱法，該方法合成的COFs具有更高的結(jié)晶度，其能耗有5個數(shù)量級的降低、時空產(chǎn)率提高了3個數(shù)量級，同時在制備過程中避免使用有毒的有機溶劑。作為一種通用的方法，在室溫條件下該方法可快速制備具有高表面積的8中柔性亞胺鍵COFs和5種不同鍵連接類型（如剛性亞胺鍵、腙鍵、β-酮胺鍵和吖嗪鍵連接）的COFs；此外，還采用MIPEC法在醋酸水溶液中合成了4種亞胺基COFs。

圖二：微等離子體電化學(xué)方法合成COFs的策略圖

　　研究中所合成的13種COFs材料對碘均具有較好的捕獲能力（圖三）。一般認為高比表面積和孔體積有利于碘的吸附，而MP-COF-10在候選材料中盡管具有較低的比表面積，在候選材料中卻具有最高的吸附能力。基于密度泛函理論的計算發(fā)現(xiàn)MP-COF-10的高吸附性能主要源自于其較高的吸附能（-11.25 kcal/mol），同時在吸附過程中發(fā)生了電荷轉(zhuǎn)移從而形成聚碘陰離子。基于在碘吸附材料篩選上的優(yōu)異表現(xiàn)，我們相信， MIPEC方法由于其高效性、通用性以及環(huán)境友好性，不僅在溫和條件下制備先進晶體材料方面極具吸引力，同時該方法為高通量篩選以及開發(fā)適用于各種特定應(yīng)用的新材料提供了重要契機。