據(jù)報(bào)道, 國際材料領(lǐng)域的頂級期刊《先進(jìn)材料》( Advanced Materials )雜志在線發(fā)表了華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院譚必恩教授團(tuán)隊(duì)的最新研究成果:《控制單體加料速率來合成高結(jié)晶三嗪共價(jià)框架》( Controlling Monomer Feeding Rate to Achieve Highly Crystalline Covalent Triazine Frameworks )。 2017 級博士生劉滿營為第一作者,譚必恩教授、金尚彬副教授是論文的共同通訊作者。 共價(jià)有機(jī)框架( COFs )是一類結(jié)構(gòu)有序的有機(jī)多孔材料,可以用 X 射線粉末衍射儀( PXRD )和高分辨透射電子顯微鏡( HR-TEM )來表征其結(jié)構(gòu),目前其研究越來越受到廣大研究人員的廣泛關(guān)注。高結(jié)晶性的 COFs 半導(dǎo)體材料中的缺陷較少,有利于光生電子與空穴的分離及相應(yīng)電荷的傳輸,因而在光電應(yīng)用領(lǐng)域有著巨大前景。作為 COFs 中的分支,共價(jià)三嗪框架( CTFs )的結(jié)構(gòu)多數(shù)是無定形的,僅有少數(shù)個(gè)例含有有序結(jié)構(gòu)。這主要是因?yàn)槠溥B接單元的三嗪環(huán)的 C=N 雙鍵芳香性強(qiáng),在聚合反應(yīng)過程中,鍵的形成容易,而打開較難,因此可逆性較弱;同時(shí)正向反應(yīng)速率快,從而導(dǎo)致這類聚合物自我修復(fù),重新組裝能力不足,形成有序結(jié)構(gòu)變得非常困難。針對這一問題,該研究團(tuán)隊(duì)前期發(fā)展了“原位氧化生成單體的策略”,減少了體系中的單體濃度,從而降低正向聚合速率,達(dá)到控制聚合物晶核生成速率,使得聚合過程中的自我修復(fù)能力增加,成功制備得到高結(jié)晶性的 CTFs ( Angew. Chem. Int. Ed. 2018 , 57 , 11968-11972 )。
圖 1 ( a )控制單體加料速率合成高結(jié)晶性 CTFs 策略示意圖;( b )不同加料速率下的 PXRD 圖
通過對結(jié)果的深入分析,該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),在聚合反應(yīng)過程中,單體濃度可能是影響產(chǎn)物結(jié)晶性的關(guān)鍵因素,進(jìn)而提出 “ 控制單體的加料速率來提高結(jié)晶性的策略”,即通過控制加料速率來調(diào)控聚合物反應(yīng)的進(jìn)度,從而給與充足的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)鍵的打開與重新連接的這一自我校正過程,使晶核的形成變慢,晶體生長得更大更完美(圖 1 )。 通過這一策略,該團(tuán)隊(duì)成功合成了可與其他弱鍵體系(如:硼酯類、亞胺鍵類等)的 COFs 相媲美的高結(jié)晶性 CTFs 。尤其通過高分辨透射電鏡( HR-TEM )的觀測手段,直觀地展示了高結(jié)晶性 CTFs 樣品( CTF-HUST-HC1 )的精細(xì)結(jié)構(gòu)(圖 2 )。分別測試了高結(jié)晶的 CTFs ( CTF-HUST-HC1 )與無定形的 CTFs ( CTF-HUST-1 )的光電響應(yīng)和阻抗譜,發(fā)現(xiàn)高結(jié)晶 CTFs 的光生電子與空穴的分離能力與電荷傳輸能力大大增強(qiáng)。隨后,該團(tuán)隊(duì)首次將該類 CTFs 材料應(yīng)用于光催化降解一氧化氮 (NO) 中,發(fā)現(xiàn)高結(jié)晶的 CTFs ( CTF-HUST-HC1 )的光催化去除 NO 能力強(qiáng)于無定形的 CTFs ( CTF-HUST-1 )。該研究將對高結(jié)晶性 CTFs 的合成和光催化應(yīng)用的發(fā)展,起到進(jìn)一步的推動(dòng)作用。
圖 2 高結(jié)晶的 CTF-HUST-HC1 的 SEM 圖( a )、 TEM 圖( b )、 HR-TEM 圖( c )和( d )、快速傅里葉變換 FFT 圖( e )晶體結(jié)構(gòu)示意圖( f )
論文作者還包括王紹磊(博士后)、張承昕( 2014 級博士生)、劉靜( 2018 級碩士生)、張禛( 2017 級碩士生)、程光( 2016 級直博生), 以及合作單位華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的江開、丁星副教授和陳浩教授,利物浦大學(xué)的李步怡博士。 該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃國際科技合作重點(diǎn)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金以及華中科技大學(xué)自主創(chuàng)新基金交叉學(xué)科重點(diǎn)項(xiàng)目等項(xiàng)目資助。 |