孙道峰教授团队在晶态多孔材料的应用研究方面取得系列进展
近日，我院孙道峰教授课题组在晶态多孔材料能源环境应用研究方面取得系列进展。相关论文先后刊发在《化学学会评论》（Chemical Society Review）、《配位化学评论》（Coordination Chemistry Reviews）、《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）、《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）、《化学工程杂志》（Chemical Engineer Journal）等国际著名期刊上。该系列成果得到国家自然科学基金、山东省重点研发项目的资助。
1. 晶态多孔材料在气体吸附分离领域的应用。
随着“碳达峰，碳中和”目标的制定，大力推进绿色分离成为研究重点。孙道峰教授团队从自身优势出发，利用结构可设计及功能可控的新型晶态多孔材料实现了多种物理性质极其相似的气体分子在常温常压下的高效分离。其中结构的设计和调控是实现材料特定功能的重要前提。孙道峰教授团队发现并报道了第一例金属-有机框架的多步固态转化，通过热诱导实现单晶到单晶的转化，并捕捉到中间态，在此过程中涉及多个配位键的断裂形成及金属簇的复杂重排。这项工作为实现晶态材料的结构转化及结构重排的研究奠定基础。该研究成果以卷首页的形式发表在国际期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition，IF=15.336），戴昉纳教授为第一作者，孙道峰教授为通讯作者。此外，通过对结构的精确修饰，通过引入环戊二烯钴官能团将原有的笼结构重新划分为两部分，形成一层类球形力面，选择性增大对特定气体的选择吸附性，成功实现常温常压下从乙炔/乙烯/乙烷(1:1:1)三组分混合气一步纯化乙烯，助力绿色分离。该研究成果以封面论文形式发表在国际期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition，IF=15.336），博士研究生王雨桐为第一作者，孙道峰教授为通讯作者。通过协同调整金属成分，功能化连接基和末端配体的策略来优化多元金属-有机框架（MTV-MOF）的孔环境实现了C2H2/CO2的高效分离，这种三重修饰策略可以应用于具有相似SBUs的其它MOF，从而为特定应用提供了一种定制孔环境的通用方法。该研究成果以封面论文形式发表在国际期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society，IF=15.419），范卫东博士为第一作者，孙道峰教授为通讯作者。结合近年来的金属-有机框架材料的设计思路和创新成果，团队总结并展望了金属-有机框架材料气体吸附分离的研究进展，在《配位化学评论》（Coordination Chemistry Reviews，IF=22.315）发表了题名为《Isoreticular chemistry within metal–organic frameworks for gas storage and separation》的综述文章，受到了审稿人的高度评价。
2. 晶态多孔膜材料的规模化制备。
晶态多孔材料（Crystalline Porous Material，CPM）主要包括：分子筛（Zeolite）、金属-有机框架（MOF）、共价有机框架（COF）和氢键有机框架（HOF）等，具有可设计且有序的结构、可调控的孔环境（孔径、官能团、客体分子等），在膜分离方面具有巨大的应用潜力，但面临着难以扩大化制备的挑战。通过借鉴高分子膜的加工技术，孙道峰教授团队利用HOF是由高可逆性氢键连接而成的特点，通过溶铸法制备了首例HOF多晶膜，并研究了其压力响应的气体渗透性能，在最近后续的工作中还探索了MOF的取向调控。该系列研究成果发表在国际期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition，IF=15.336）和《晶体生长设计》（Crystal Growth & Design，IF=4.1）。硕士生冯收、商艳雪、张彩艳和本科生唐玉成分别为第一作者，康子曦副教授、孙道峰教授为共同通讯作者。另外借鉴高分子的界面聚合技术，该团队以超小尺寸的MOF纳米颗粒作为有序多孔“单体”，与普通聚合物单体，在室温下通过界面聚合反应快速组装成薄膜用于染料分子的高效纳滤。该研究成果发表在国际期刊《材料化学A》（Journal of Materials Chemistry A，IF=12.74）上。硕士生崔晓蕾为第一作者，康子曦副教授、孙道峰教授为共同通讯作者。结合近年来的晶态多孔膜材料的设计思路和创新成果，团队总结并展望了晶态多孔膜扩大化制备的研究进展，在《化学学会评论》（Chemical Society Review，IF=54.564）发表了题名为《Scalable Crystalline Porous Membrane: Current state and Perspectives》的综述文章，受到了审稿人的高度评价。
3. 晶态多孔材料在储能器件领域的应用。
尽管磷酸镍与其他过渡金属基电极材料相比具有环境和生物良性，且成本低的优势，但是低电导率阻碍了其作为电化学储能电极的应用。为解决该问题，通过Ni-MOF非晶纳米球在MXene纳米片上的“自下而上”自组装以及将该MOF纳米球通过“自上而下”蚀刻原位转化为分级多孔的磷酸镍纳米球的策略，实现稳定，高导电性磷酸镍和MXene电极的制备，研究成果发表在国际期刊《化学工程杂志》（Chemical Engineer Journal，IF=13.273）上，硕士生张昊兵为第一作者，徐奔副教授、孙道峰教授为共同通讯作者。基于MOF可控水解策略，得到电化学性能优异的正极以及负极材料，并基于这些电极材料组装了水系NiCo//Bi电池，展现出了高的能量密度与功率密度。该研究成果发表在国际期刊《材料今日物理》（Materials Today Physics，IF=9.3）上，硕士生梅豪为第一作者，徐奔副教授、孙道峰教授为共同通讯作者。以聚吡咯-磷钼酸聚合物纳米球为前驱体，通过定制模板法合成以氮掺杂碳和少量的MoSe2纳米薄片为壳的具有双层壳结构的MoSe2纳米球制备电池负极材料，在钠、钾离子电池中都表现出了优异的电化学性能。研究成果发表在国际期刊《材料化学A》（Journal of Materials Chemistry A, IF=12.74）上，硕士生王晓彤为第一作者，康文裴副教授、孙道峰教授为共同通讯作者。
4. 晶态多孔材料在新能源领域的应用。
能源短缺和环境污染是全球面临的两个难题。受益于晶态多孔材料可调的孔隙结构及可修饰的表面，成为新能源领域的研究热点。燃料电池技术，特别是以氢为原料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)，由于其高效率和低排放，已被公认为替代能源的关键解决方案。孙道峰教授团队以膦酸盐基卟啉镍为基础构建了一种具有高密度-PO3H、Me2NH2+和H2O的多孔HOF。其在较宽的温度范围内具有较高的质子传导率，在80oC, 99% R.H.下质子传导率最高可达1.59×10-1 S cm-1。该研究成果发表在国际期刊《材料化学A》（Journal of Materials Chemistry A，IF=12.74）上。博士生王一捷为第一作者，王荣明教授、孙道峰教授和姜健壮教授为共同通讯作者。另外，燃料电池往往受到其电极反应之一的氧还原反应（ORR）缓慢动力学的限制。因此，团队基于HOF高孔隙率等特点，以HOF作为碳氮源，以模板化的策略制备了具备B-N3催化位点的非金属有序大孔催化剂材料，DFT计算表明了B-N3位点可以提供丰富的*OOH和*OH吸附位点，在提高ORR活性方面发挥了关键作用。该研究发表在国际期刊《美国化学学会应用材料与界面》（ACS Applied Materials & Interfaces，IF=9.229），硕士生李绪庭为第一作者，范黎黎副教授、孙道峰教授为共同通讯作者。
相关链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202010549
https://doi.org/10.1002/anie.202100782
https://doi.org/10.1016/j.ccr.2021.213968
https://doi.org/10.1021/jacs.0c00805
https://doi.org/10.1039/D1TA04049A
https://doi.org/10.1039/D0CS00786B
https://doi.org/10.1021/acs.cgd.1c00614
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130602
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https://doi.org/10.1007/s40843-021-1791-1
https://doi.org/10.1039/D1TA05655G
https://doi.org/10.1039/D0TA07207A
https://doi.org/10.1021/acsami.1c15661