共价有机框架（COFs）是一类结构可设计、具有规则孔道的新兴多孔材料，在能源、环境等领域应用潜力巨大。然而，传统合成方法难以精确控制其微观形貌，尤其难以构建具有单一手性的螺旋结构，这成为制约其高端应用的瓶颈。目前，该领域面临核心挑战：主流手性引入策略或依赖随机对称性破缺，或需外援手性助剂，过程难以控制，且无法同时获得明确的宏观螺旋形貌与单一手性。因此，探索一种温和、通用的新方法，直接利用非手性原料合成出兼具规整螺旋结构与本征手性的COFs，是推动功能材料发展的关键突破点。近日，华东师范大学刘少华教授团队受生物体系中氨基酸分子所展现的固有手性两亲结构特性及其精密自组装行为的启发，提出了一种仿生手性超分子组装介导（CSAM）策略，实现了在常温常压条件下单手性双股螺旋共价有机框架（H-COF）的合成。相关成果发表在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society 上。
一、打破传统：仿生合成巧解COFs手性构建难题
共价有机框架是一类具有规则孔道结构的新型晶态多孔材料，其结构可设计、功能可调变，在能源、环境、催化等领域应用前景广阔。然而，如何像自然界中DNA、蛋白质一样，精准构建具有宏观螺旋手性结构的COFs，一直是该领域的巨大挑战。
图1. 手性超分子组装介导制备H-COFs示意图
传统方法通常需要在高温高压的溶剂热条件下进行，且难以控制产物的宏观形貌与手性。本研究独辟蹊径，模仿生物分子自组装原理，开发出 “预组装/共价锁定”两步法。首先，手性氨基酸衍生物分子自组装形成螺旋纳米纤维模板；随后，在模板的界面引导下，有机构筑单元定向组装，通过动态共价化学形成具有单一手性的螺旋COFs。这种方法突破了传统酸催化溶剂热法的局限，实现了在温和条件下对材料结构和手性的精准调控。
二、机制揭秘：多重非共价相互作用的协同效应
为了揭示螺旋结构形成的奥秘，研究团队结合光谱表征和理论计算，深入探究了手性超分子自组装过程。
图2. 手性超分子组装诱导机制的阐明及表征
研究发现，手性分子其独特的线性几何各向异性是组装的基础。分子疏水链间的范德华力驱动其聚集，而末端的羧基和亚胺基等极性基团则通过定向氢键网络形成“拉链式”结构，层层叠加后最终自发的盘绕成具有明确手性的螺旋纳米纤维。这些超分子模板不仅提供了结构导向，其表面的羧基还兼具催化活性，可原位催化COFs的形成，体现了独特的“结构-催化”协同功能。
三、性能开发：螺旋COFs赋能高性能锌-碘电池
得益于其独特的螺旋拓扑结构和丰富的官能团，制备出的螺旋COF（H-COFBTCA-TAPB）在吸附和稳定碘分子方面表现出显著优势。
图3. H-COFBTCA-TAPB的结构和成分表征
理论计算表明，螺旋结构引起的表面曲率增强了材料与碘分子之间的电荷转移，形成了高效的电子给体-受体通道。实验证实，该材料能有效将碘分子转化为多碘化物（I3-），并通过独特的空间极化效应稳定产生的自由基，从而显著抑制了碘在电池循环过程中的“穿梭效应”。
图4. H-COFBTCA-TAPB的结构和电子特性研究
将其应用于锌-碘电池正极材料时，H-COFBTCA-TAPB/I2复合材料展现出卓越的电化学性能：在0.2 A g-1的电流密度下，比容量高达176 mAh g-1；即使在2.5 A g-1的高电流密度下循环10,000次后，容量保持率仍能达到63%，显示出长的循环寿命。
图5. 基于H-COFBTCA-TAPB/I2的电化学性能研究
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Enantiopure Dual-Helical Covalent Organic Framework Nanotubes Mediated by Supramolecular Assembly
Wenda Li, Hengyue Xu, Hongyi Zhang, Hao Chen, Shanzhe Ke, Gaijuan Guo, Facai Wei, Jianwei Fu, Chengbin Jing, Jiangong Cheng, Shaohua Liu*
J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 41320–41330, DOI: 10.1021/jacs.5c09144
通讯作者信息
刘少华：华东师范大学特聘教授，主要从事材料化学研究，在先进功能材料的设计及其性能开发领域（光电、能源和传感等）做了系列工作，已发表SCI论文100余篇，其中多篇论文在国际著名期刊Nat. Protocol.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed. 和Adv. Mater. 上发表，总引用10000余次，H指数40。目前主要包括以下方向：1. 新型多孔功能聚合物；2. 纳米能源材料与器件；3. 荧光/电化学传感检测。具体见主页：https://faculty.ecnu.edu.cn/_s41/lsh2/main.psp。
https://www.x-mol.com/groups/Shaohua_Liu
