【COF-432吸湿】：具有空缺正方形网格拓扑的多孔共价有机框架用于大气水收集

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摘要：
Omar Yaghi团队在文章(J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 5, 2218–2221)中介绍了一种新型的多孔共价有机框架（COF-432），它具有空缺的正方形网格拓扑结构，适用于从空气中收集水分。COF-432在低相对湿度下展现出S型水吸附等温线，具有陡峭的孔填充步骤且无滞后行为，这些特性对于能量高效的水分吸收和释放至关重要。此外，COF-432能在极低温度下再生，展现出卓越的水解稳定性，在300个水吸附-解吸循环后仍保持其工作能力。

研究背景：
1）未解决全球水资源危机，开发新材料从空气中收集水分是目前的研究热点。
2）已有研究使用金属-有机框架（MOFs）进行大气水收集，但COFs在此应用上尚未被充分探索。
3）作者提出了一种新型的高结晶度COF-432，它不仅具有所需的水吸附特性，还展现了卓越的水解稳定性和低再生温度要求。

实验部分：
1）合成方法：通过溶剂热合成法，使用氯仿、甲醇和水溶液醋酸合成COF-432。
2）结构表征：通过粉末X射线衍射（PXRD）、元素分析（EA）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、13C交叉极化魔角旋转核磁共振（CP-MAS NMR）光谱、热重分析（TGA）和氮气吸附分析确定COF-432的结构。
3）实验结果：COF-432展现了无滞后行为的水吸附等温线，在低相对湿度下有陡峭的孔填充步骤，以及在300个水吸附-解吸循环后仍保持其工作能力。

分析测试：
1）粉末X射线衍射（PXRD）确定了COF-432的晶体结构，确定了空间群为I41/a（No. 88）。
元素分析（EA）：支持了COF-432的结构，元素比例与预期相符。
2）氮气吸附分析：COF-432的BET比表面积为895 m² g⁻¹，孔体积为0.43 cm³ g⁻¹，显示单一孔径为8.0 Å。
3）水解稳定性测试：将COF-432浸入水中，通过PXRD测试证实其在至少20天内保持结晶性，且在90小时搅拌后水浸泡未损失表面面积。
4）水吸附性能测试：
a) 在25°C下，COF-432展现了S型水吸附等温线，在34%相对湿度下出现吸附拐点。
b) 在P/Psat = 0.95时，达到30 wt%（0.3 g g⁻¹）的最大水吸附量。
c) 工作容量：在20%至40%的相对湿度范围内为0.23 g g⁻¹。

总结：
1）本文合成的COF-432因其在水吸附和释放循环中的卓越稳定性、无滞后的水吸附等温线以及低吸附热，显示出作为从空气中收集水分的材料的潜力。
2）尽管COF-432的水吸附能力不如某些报道的MOFs，但其在水解稳定性、等温线特性和再生能力方面与最先进的水收集MOFs相当。
3）COF-432的全有机特性可以避免某些应用场景中金属离子的潜在毒性或成本问题。

展望：
1）探索更多种类的COFs，并进一步优化其水吸附性能，以提高其在大气水收集技术中的竞争力。
2）未来的工作可以集中在通过合成策略来增加其晶粒尺寸，以提高其在实际应用中的性能。

A Porous Covalent Organic Framework with Voided Square Grid Topology for Atmospheric Water Harvesting
文章作者：Ha L. Nguyen, Nikita Hanikel, Steven J. Lyle, Chenhui Zhu, Davide M. Proserpio, and Omar M. Yaghi*
DOI：10.1021/jacs.9b13094
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b13094