研究人员通过气相沉积制造共价有机框架薄膜

莱斯大学材料科学家开发出一种快速、低成本、可扩展的方法来制造共价有机框架（COFs）。图片来源：Gustavo Raskosky 拍摄/莱斯大学

莱斯大学博士生、发表在《ACS Nano》上的一项研究的第一作者杰里米-道姆（Jeremy Daum）说："这些结构之所以如此特别，是因为它们虽然是聚合物，但却排列成有序的重复结构，使其成为一种晶体。这些结构看起来有点像鸡丝--它们是在二维平面上重复排列的六边形晶格，然后它们叠加在自己的上面，这就是你得到层状二维材料的方法。"

莱斯大学的博士校友、该研究的另一位主要作者 Alec Ajnsztajn 说，这种合成技术使得利用气相沉积技术在创纪录的时间内生产出有序的二维晶体 COF 成为可能。

Ajnsztajn说："很多时候，当你通过溶液加工制造COF时，薄膜上没有对齐。这种合成技术使我们能够控制薄膜的取向，确保孔隙排列整齐，而这正是制造薄膜所需要的。"

Alec Ajnsztajn（左）和 Jeremy Daum 是发表在《ACS Nano》上的一项研究的主要共同作者。图片来源：Gustavo Raskosky/莱斯大学拍摄

控制孔径的能力在分离器中非常有用，COFs 可用作海水淡化的薄膜，并有可能帮助取代蒸馏等能源密集型工艺。在电子领域，COF 可用作电池隔膜和有机晶体管。

Daum说："COF具有在各种催化过程中发挥作用的潜力--例如，你可以用COF将二氧化碳分解成乙烯和甲酸等有用的化学物质。"

COF 生产中的挑战与创新

阻碍 COF 得到更广泛应用的障碍之一是，涉及溶液处理的生产方法耗时较长，在工业环境中更难适应。

"生产 COF 所需的溶液粉末可能需要三到五天的反应时间，"Ajnsztajn 说。"我们的方法要快得多。经过几个月的优化，我们只需 20 分钟或更短的时间就能生产出高质量的薄膜。"

COF 薄膜的分析和验证

为了确保他们的薄膜呈现出正确的分子结构，Daum 和 Ajnsztajn 来到阿贡国家实验室，利用先进光子源对样品进行分析，他们连续轮班工作了 71 个小时。

道姆说："我们知道是时候'出发'了，但我们对结果非常满意。我们必须去国家实验室，因为这种技术是测量薄膜质量和确保我们采取正确措施优化薄膜的唯一方法。"

共价有机框架是一类结晶聚合物，其可调整的分子结构、大表面积和多孔性可用于能源应用、半导体器件、传感器、过滤系统和药物输送。图片来源：Gustavo Raskosky 拍摄/莱斯大学

显微镜研究深入揭示了 COF 晶体的生长过程，并帮助证明了高达 340 摄氏度（约 644 华氏度）的温度可用于合成有机分子。

Ajnsztajn说："在研究这个项目的过程中，我们听到很多人认为，将有机分子加热到如此高的温度会阻碍正确反应的发生，但我们发现，化学气相沉积实际上是一种制造有机材料的可行方法。"

低成本的 COF 生产 DIY 方法

为了制造 COF，Daum 和 Ajnsztajn 利用废弃的实验室设备零件和其他廉价易得的材料建造了一个临时反应器。

"整个过程的组装成本非常低，"Daum 说。"建立一个稳健的、可扩展的生产各种 COF 薄膜的工艺，有望让 COF 在催化、储能、膜等领域得到更好的应用"。

编译来源：ScitechDaily