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共价有机骨架(COFs)是由轻质元素(如C、N、O、B、Si和H)通过有机连接物之间的强共价键构
出处:  录入日期:2020-09-27  点击数:67

    共价有机骨架(COFs)是由轻质元素(如C、N、O、B、Si和H)通过有机连接物之间的强共价键构建而成的具有高度多孔的结晶聚合物。由于其结构多样性、永久孔隙率、长程有序性和可引入有机骨架的多种功能,COFs在有机催化、气体存储、分子分离、能量存储、光催化水分解、发光二极管等方面具有广阔的应用前景。然而,传统的COFs合成方法通常需要真空条件、高沸点有机溶剂(如均三甲苯或1,4-二恶烷)和较长的反应时间(通常为48-72 h)。更重要的是,生成的COFs通常形成粉末,由于它们不溶且难溶,因此很难加工。此外,在共轭COFs中观察到,粉末形式不利于导电性。
  近日,德国柏林工业大学Arne Thomas报道了采用绿色合成方法,在低温下自组装制备了CoF/rGO气凝胶。
  本文要点:
  1)首先将二氨基蒽醌(Dq)和对甲苯磺酸(PTSA)混合在水中形成有机盐,然后将其添加到氧化石墨烯(GO)溶液中,并在室温下搅拌形成均匀的分散体。将1,3,5-三甲酰间苯三酚(TP)添加到分散体中,并使用涡流振荡器彻底摇动,以形成极其稠密和粘性的混合物。然后将该混合物转移到高压釜中,在120 °C的烤箱中加热24小时,获得黑色水凝胶。水凝胶用蒸馏水、丙酮和水彻底清洗,以去除PTSA和未反应的试剂。冷冻干燥后得到了超轻的COF/rGO气凝胶。
  2)COF/rGO气凝胶具有大约7.0 mgcm-3的低密度,因此可以很容易地放置在一片叶子上。通过SEM和TEM进一步研究了COF/rGO气凝胶的形貌和结构,以揭示低密度气凝胶的形成原因。结果显示,COF/rGO复合材料具有由延伸和互联的纳米片形成的3D海绵状结构。TEM图像显示,其非常薄且部分起皱,显示出良好的柔韧性。此外,利用AFM进一步阐明了COF在石墨烯纳米片上的生长。应力-应变测试曲线结果显示,COF/rGO气凝胶在应力释放后可以完全弹回其原始形状。
  3)由于COF基气凝胶具有高度多孔结构、高比表面积、低密度和良好的机械稳定性,因此是一种很有前途的石油和其他有机污染物的吸附剂。为了分析吸附选择性,将COF/rGO气凝胶放置在水和硅油混合物的表面,结果发现,在几秒钟内其对漂浮的硅油产生选择性吸附。此外,对水下氯仿具有同样的吸附效果。此外,1:1的COF/rGO气凝胶对不同溶剂的吸附量为其自身重量的98~240倍,高于已报道的许多吸附剂的吸附量。
  4)电化学测试结果显示,COF/rGO气凝胶在1.5 V的电位窗口和0.5 A g-1的电流密度下产生的比电容最高,为269 F g-1。当电流密度增加到10 A g-1时,CoF/rGO气凝胶仍可提供222 F g-1(292 C g-1)的比电容,电容保持率为83%。此外,在5000次循环后保持率高达96%,表明其具有极佳的循环稳定性。由此可见,COF/rGO材料的三维结构有利于电荷的快速转移和离子向氧化还原活性位的扩散。

 


   3D COF/rGO气凝胶制备工艺简单,性能优良,在环境和能源领域具有广阔的应用前景。
  Li, C., Yang, J., Pachfule, P. et al. Ultralight covalent organic framework/graphene aerogels with hierarchical porosity. Nat Commun 11, 4712 (2020)
  DOI:10.1038/s41467-020-18427-3

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