Coord. Chem. Rev.: 内大刘健「长江学者」联合吉大方千荣「国家杰青」阐述COF基纳米反应器用于可持续光/电催化

邃瞳科学云

2024-10-30

导读：本文系统总结并详细讨论了基于COFs的纳米反应器功能材料在可持续光/电催化方面的研究进展。

第一作者：李海涛^a,c，刘建川^b

通讯作者：王钰杰^a,b，方千荣^b，刘健^a,c

通讯单位：^a内蒙古大学，^b吉林大学，^c中国科学院大连化学物理研究所

综述文章示意图

背景介绍

学习自然一直被研究者认为是进行科学创造和科学生产的最佳驱动力。细胞，是生物体组成的基本结构和功能单元，其内部时刻有条不紊地发生着一系列生物化学反应，以维持正常生命活动。这归因于细胞膜、细胞器等多层次的腔室结构和特定的生化功能。受此启发，研究者基于细胞仿生构建了系列功能材料，即纳米反应器（Nanoreactor）。细胞仿生纳米反应器通常具有以下代表性的结构特征：（1）典型的腔室或者限域结构。在界限明显的腔室或者孔道构筑的限域空间内，化学反应行为与常规体相催化截然不同，特别是动力学参数往往会显著增强。（2）具有分级结构且可调的孔道结构。发达的孔道结构可以暴露更多活性位点，强化反应物/产物分子传质效率。另外，由于孔径尺寸和形状可调，可以产生分子识别、择形催化等效应。（3）多维度功能界面。壳层内外、不同腔室/孔道为活性位提供丰富可选的锚定位置，同时实现化学微环境的按需调控。截至目前，研究者相继开发了基于金属氧化物、分子筛、氧化硅、有机聚合物等不同化学成分和中空、多壳层、多腔室、球形、多面体、管状、不对称结构等不同形貌的纳米反应器催化材料，广泛应用于储能、催化、生物医学等领域。

共价有机框架（COF）材料，是一类有机构建单元通过共价键连接，形成具有周期性结构的多孔骨架材料，具备高度结晶性和多孔结构的特点，展现出出色的结构定制性和化学稳定性，是框架化学的重要研究内容。自2005年，由Omar Yaghi教授团队首次合成二维COF，COFs迅速成为功能材料领域中备受瞩目的研究对象。主要体现在合成方法的创新、结构的多样化以及材料稳定性的显著提升。尤其是通过引入不同的有机单体和合成策略，研究人员可以精确调控COF的孔径、形状和功能属性。这样高度可调的性质为COF在诸多应用领域发展成为理想的功能材料。特别值得一提的是，研究者采用纳米反应器工程策略，发展了系列材料合成方法，精准构筑了不同COFs基纳米反应器催化材料，极大丰富了材料合成方法；深入探究并理解了不同微观结构诱导的介观传质、限域富集、界面耦合等独特“构效关系”，建立了纳米反应器相关理论体系，在光/电催化环境小分子转化方面取得了显著成果。

近日，内蒙古大学化学化工学院院长刘健教授（“教育部长江学者”）团队联合吉林大学方千荣教授（“国家杰青”）团队在国际著名期刊Coordination Chemistry Reviews上发表COF基纳米反应器相关综述文章《Hollow covalent organic framework (COF) nanoreactors for sustainable photo/electrochemical catalysis》，系统总结并详细讨论了基于COFs的纳米反应器功能材料在可持续光/电催化方面的研究进展。

王钰杰研究员、方千荣教授、刘健教授为共同通讯作者，李海涛博士和刘建川博士研究生为共同第一作者，内蒙古大学为第一通讯单位。

自然细胞和纳米反应器对比示意图

文章内容速览

1. 文章首先介绍了纳米反应器功能材料相关概念，列举了其典型的微观结构特征以及独特的“构效关系”。

2. 回顾了COFs材料发展历史，总结了基于“拓扑学”的COFs合成结构单元，重点梳理了代表性的COF基纳米反应器材料及其应用领域。

3. 详细总结了COF基纳米反应器构筑方法，包括：硬模板法、软模板法、自模板法和无模板法等，客观评述了不同方法的优点和局限性。

4. 深入讨论了基于“Ostwald”熟化、“Kirkendall”效应和“自下而上”自组装等材料合成反应机理。

5. 系统分析了COF基纳米反应器在全解水、CO₂资源化利用、双氧水生产等可持续光/电催化方面的成功应用案例，并深入分析了材料设计理念和催化反应机理。

6. 基于当前COF基纳米反应器的研究现状，作者在精准合成、先进技术表征、特殊功能化和可持续催化实际应用等方面提出了未来发展方向和挑战。

代表性COF基纳米反应器发展历史

COFs合成中设计的代表性“拓扑学”结构 (a)，COF基纳米反应器构筑方法：硬模板法 (b)，软模板法 (c)，自模板法(d)和无模板法 (e)

COF基纳米反应器可控合成中涉及的“Ostwald”熟化、“Kirkendall”效应反应机理示意图

COF基纳米反应器的典型结构特征、独特的“构效关系”和光/电催化应用

COF基纳米反应器未来发展方向

致谢

该论文得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金和内蒙古大学高层次人才项目等项目基金的支持。

文献信息

详细内容请参阅原文：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010854524005861

Haitao Li#, Jianchuan Liu#, Yujie Wang*, Chunsheng Guo, Yutong Pi, Qianrong Fang* and Jian Liu*, Hollow Covalent Organic Framework (COF) Nanoreactors for Sustainable Photo/electrochemical Catalysis, Coordination Chemistry Reviews 523(2025) 216240.

通讯作者简介

王钰杰，理学博士、内蒙古大学特聘研究员、博士研究生导师，主要从事新型共价有机框架材料的设计合成、结构控制和性质的研究。2020年博士毕业于吉林大学化学学院，师从吉林大学方千荣教授，入选2020年第一届吉林大学“鼎新学者”博士后，优秀考核出站并获得2022年吉林大学优秀博士后奖。在晶态三维有机有机框架功能材料的结构设计、拓扑定向合成等，在光降解污染物，能源催化领域展开基础研究。2017年从事共价有机框架研究以来已发表SCI论文22篇，以第一作者 (含共一) 及通讯作者发表J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Coord. Chem. Rev.、Chem. Sci.、CCS Chem和Small等化学领域期刊发表论文14篇，3项中国专利及主持1项国家自然青年基金、内蒙古自治区面上项目1项、内蒙古高层次人才引进项目1项、国家乳业创新青年项目1项、内蒙合成化学研究所横向项目1项。

方千荣，吉林大学化学学院教授，国家杰出青年科学基金获得者。2001年，吉林大学化学学院本科毕业。2007年，获吉林大学化学学院无机化学专业博士学位，师从裘式纶教授。从2007年到2014，先后在美国加州大学洛杉矶分校、美国德州农工大学、美国加州大学河滨分校和美国特拉华大学从事博士后工作。2015年全职回吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室工作。主要从事新型多孔晶体材料的结构设计、定向合成及应用研究。先后在Nat. Chem., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Adv. Mater.等学术期刊发表SCI收录论文120余篇，论文被他引超10000次。主持和参与了多项国内外重大项目的研究，获得两项国外专利，参与编写了一部国外专著，以及获得过：2006年吉林省科技进步一等奖，2007年第二届“美国百人会”英才奖，2008年国家自然科学二等奖，2009年全国百篇优秀博士论文提名奖，2012年吉林省科技进步一等奖，2020年吉林省科技进步一等奖。

刘健，现任内蒙古大学化学化工学院教授、博士生导师，院长；入选教育部“长江学者奖励计划”特聘教授 (2022年)、国家海外高层次人才引进计划 (2017年)等。连续六年入选科睿唯安高被引学者 (2018-2023年)。长期致力于纳米多孔材料的设计合成及在能源、催化相关领域的基础应用研究，在催化纳米功能材料的设计合成与应用、纳米反应器构筑等方面取得了一系列重要的原创性成果。迄今以第一作者及 (共同)通讯作者在包括Nat. Mater. (1篇), Nat. Rev. Chem. (1篇), Nat. Synth. (1篇), Nat. Commun. (5篇), Angew. Chem. Int. Ed. (15篇), Adv. Mater. (5篇), Natl. Sci. Rev. (2篇)等刊物发表正式论文220余篇，所发表论文被SCI引用超过27000余次，H因子为80。撰写英文书籍10章，发表专著一本。曾获得第14届国际催化大会青年科学家奖 (2008)，国际先进材料协会奖章 (IAAM Medal, 2021)，中国化工学会基础研究奖二等奖 (2021，排名第一)，中国颗粒学会自然科学奖二等奖 (2024，排名第一)等奖项。现任Elsevier旗下杂志《Materials Today Sustainability》主编、《国家科学评论》等期刊编委。