近日，我校材料科学与工程学院孙道峰教授团队在共价有机框架方面取得最新研究进展，相关论文《环戊二烯钴功能化共价有机框架实现C2H2/CO2分离》（Functionalization of Covalent Organic Frameworks with Cyclopentadienyl Cobalt for C2H2/CO2 Separation）于近期在国际权威化学期刊《德国应用化学》上在线发表。我校材料学院博士生王小康为第一作者，孙道峰教授和范卫东副教授为通讯作者。
共价有机框架（COF）是一类新兴的晶体多孔材料，由含有轻元素的有机构筑单元通过可逆共价键连接形成二维或三维的有序框架。近年来，COF在气体分离方面取得了巨大的进展，但对于C2H2/CO2分离的研究仍处于起步阶段，相关的报道有限。通常，有效的C2H2/CO2分离是由于不同的主-客体相互作用，例如氢键、π-π相互作用和路易斯酸碱相互作用，这可以通过对已报道的构筑单元进行修饰或在COF中从头合成新的构筑单元来实现。但在报道的孔径各异的众多COF中，目前只有极少数具有特定官能团（如N、O和F）的COF实现了C2H2/CO2动态穿透分离。因此，如何设计具有特定功能基团的新型构筑单元，在扩大COF结构的多样性的同时实现性能调节和优化仍是巨大挑战。
针对上述问题，中国石油大学（华东）的孙道峰教授、范卫东副教授团队将环戊二烯基钴基团引入到COF体系中，通过研究发现环戊二烯钴功能团的引入不仅为COF的构建提供了新的结构单元以扩展结构多样性，而且可以作为气体分子的吸附位点，促进分离性能。
图1 UPC-COF-1和UPC-COF-2的合成示意图
实验结果表明，具有较短结构单元、较窄孔径和较强主客体相互作用的UPC-COF-1具有更好的C2H2/CO2分离性能。此外，UPC-COF-1可以在存在水蒸气和甲烷杂质的情况下保持分离稳定性。理论计算表明，气体优先吸附位点位于环戊二烯钴基团附近，表明其与气体分子的强亲和力。在UPC-COF-1和UPC-COF-2中，通过DFT计算得到C2H2和CO2的结合能进一步证明UPC-COF-1具有更强的主-客体相互作用，因而展现出更优的C2H2/CO2分离性能。
图2 （a）UPC-COF-1和UPC-COF-2的穿透曲线；（b-c）UPC-COF-1在干燥条件和潮湿条件的循环穿透曲线；（d）UPC-COF-1在甲烷存在时的循环穿透曲线；（e-f）UPC-COF-1和UPC-COF-2中的优先吸附位点和结合能
该工作不仅为增强COF中主-客体相互作用实现气体分离提供了新的选择，而且为具有模块化和可调构筑单元的同构COF的性能调控提供了指导。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1002/anie.202420801