共价有机骨架材料COFs汇总.
共价有机框架材料的制备及表征
共价有机框架材料的制备及表征共价有机框架材料（Covalent Organic Frameworks, COFs）是一种新兴的材料，具有高度可控的结构和性能，被广泛应用于气体存储、分离、传感和催化等领域。
本文主要介绍COFs的制备及表征技术，并探讨它们在各个领域的应用前景。
COFs的制备方法多种多样，但基本上都带有共价键的构建策略。
其中较为常用的方法是通过亲核官能团和电子不足的化合物之间的烷基化反应、酰基化反应、亲电芳香取代反应等加入不同的反应剂使得共价键发生反应，形成具有一定结构的COF。
这些反应会在适当的温度、压力、反应时间等条件下进行，并通过XRD、FTIR、NMR等表征方法确立COF的结构。
其制备流程如下：首先，选择合适的有机化合物作为骨架，一般是具有多个亲核官能团的芳香环或芳香环的衍生物，以苯系和芳杂环系的化合物为主，具体选择要根据想要构造的COF的性质来考虑。
然后，选择合适的反应剂和条件，进行烷基化或酰基化反应，构建起COF。
最后通过各种表征手段，如XRD、FTIR、NMR、TGA等等，对COF进行结构表征，并分析各种性质。
在COFs的表征中，XRD是共价有机框架材料表征的最为重要的方法。
其通过分析样品的衍射图案来确定COF的结构，可以测定COF晶胞参数、展向结构以及其它细节，对于COFs的研究至关重要。
FTIR则是分析COFs的结构及其官能团组分的一种较为常用的方法。
由于COFs的结构比较稳定，可有效避免分子的气相转移等问题，使其在表征过程中更加排他。
同时，由于COFs具有可预测的结构和拓扑性质，因此图谱和数据分析也较其它材料更加简单和准确。
而NMR谱是一种非常有意义的表征方式，它可检测到原子与原子之间、原子与分子之间的化学键的拓扑关系，在核磁共振谱中其峰与其化学环境高度相关，因此可方便地确定化合物的结构，确定样品组分及样品质量等。
目前，COFs在催化、传感、气体存储等领域得到了广泛的应用。
共价有机骨架材料COFPPT精选文档
1.2.1 按形成的共价键分类
①反应可逆
A.硼氧六环
②构建单元立体构型保持
单体、寡 聚物相互 B.硼酸酯 交换 “Error checking”
C.三 嗪
刚性结构
D.亚 胺
E. 腙
W. Wang, et al., Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 548-568.
5
COFs材料的分类
187
1200
COF-103 C24H24B4O8Si
12
1.54
3530
70.5
175
1190
zeolites
--
--
--
1250
25.5
86
370
mesoporous silicas
--
--
-- 450-1070
--
14-65
--
MOF-5
C24H12O13Zn4 12,15
--
3800
76
120(300K) 970(40bar)
⑤很多开放位点
储存气体的良好“容器”
O. M. Yaghi, et al., Science, 2007, 316, 268-272.
7
3D COFs的构建
Y. Yan, et al., J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 8352-8355.
8
二、COFs合成方法
2.1 溶剂热法
50 2
50 2
[EtOH] -H P-COF 50 2
[EtNH ] -H P-COF 2 50 2
Carbon dioxide adsorption capacity
共价有机骨架材料COFs
2D COFs的构建方法：
D. Jiang, et al., Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 6010-6022.
6
3D COFs的构建方法
3D COFs的特点： ①通过共价键连接扩展形成网状结构 ②具有较大的BET值（可达4000m2g-1） ③更高的热稳定性（400-500℃） ④密度小（最低至0.17cm-3g-1）
17
单体导入官能团作为催化位点
A. 骨架杂原子配位金属引入催化位点 骨架官能团衍生化引入催化位点
设计策略
B.单体导入官能团作为催化位点
16
骨架杂原子配位金属引入催化位点
Entry
1 2 3 4
R
X Time(h) Yield(%)
I
3
96
I
2
97
Br 2.5
98
Br 3
97
W. Wang, et al., J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 19816-19822.
187
1200
COF-103 C24H24B4O8Si
12
1.54
3530
70.5
175
1190
zeolites
--
--
--
1250
25.5
86
370
mesoporous silicas
--
--
-- 450-1070
--
14-65
--
MOF-5
C24H12O13Zn4 12,15
--
3800
76
120(300K) 970(40bar)
共价有机框架化合物
共价有机框架化合物共价有机框架化合物是近年来备受研究关注的一类新型功能材料。
其独特的分子结构和丰富的性质使其在催化、分离、能源等领域具有广泛的应用前景。
本文将对共价有机框架化合物的定义、研究现状以及应用进行探讨。
一、定义共价有机框架化合物简称COFs，是一类由有机分子通过共价键形成的二维或三维网络结构。
其分子结构中含有多个功能基团，可形成具有孔道和表面活性中心的材料。
与传统的无机材料和有机分子材料相比，COFs具有独特的结构和性质，包括高度可控性、多孔性、可重复性等。
二、研究现状当前，COFs的研究主要集中在以下几个方面：1.合成方法COFs的合成方法包括基于聚合物的方法、基于配位反应的方法、基于无机模板的方法等。
其中，基于聚合物的方法是目前最常用的一种方式，通过有机分子自身的聚合来构建COFs。
2.结构调控COFs的结构调控是实现其物理和化学性质调控的关键。
研究人员通过引入具有不同性质的有机分子或功能基团，调节COFs的孔径大小、孔径结构、表面性质等，以满足不同领域的应用需求。
3.应用前景COFs在催化、分离、能源等领域具有广泛的应用前景。
例如，COFs作为催化剂可用于制备高附加值化合物；COFs作为分离材料可用于分离有机分子、气体分子等；COFs作为电极材料可用于锂离子电池、超级电容器等。
三、应用举例1. COFs在催化领域的应用Tanaka等人制备了一种铜-酞菁COFs，在催化芳基硫醚化反应中，表现出优异的反应活性和高度选择性。
此外，由于其结构可控性，研究人员还可以通过结构设计优化催化剂的催化性能。
2. COFs在分离领域的应用Chen等人制备了一种二咯-脲COFs，使用其作为载体固定铜离子，成功实现了对氨基酸的分离。
由于COFs具有可控的孔道结构和表面性质，有望成为一种新型的分离材料。
3. COFs在能源领域的应用Liu等人利用COFs作为锂离子电池的电极材料，制备出高性能的锂离子电池。
共价有机骨架材料COF
A. Thomas, et al., Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 3450-3453.
11
2.4 其他合成方法
单层COFs的合成
W. R. Dichtel, et al., Science, 2011, 332, 228-231.
12
COF-103的BET 4210m2 /g
3.2 在催化中的应用
A. 骨架杂原子配位金属引入催化位点 骨架官能团衍生化引入催化位点
设计策略
B.单体导入官能团作为催化位点
16
骨架杂原子配位金属引入催化位点
Entry
1 2 3 4
R
X Time(h) Yield(%)
I
3
96
I
2
97
Br 2.5
98
Br 3
97
W. Wang, et al., J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 19816-19822.
动力学控制
无序多孔材料
热力学控制
O. M. Yaghi, et al., Science, 2005, 310, 1166-1170.
COFs
3
COF-1和COF-5的构建
COF-5
O. M. Yaghi, et al., Science, 2005, 310, 1166-1170.
4
1.2 COFs材料的分类
高比 表面
2.5 COFs的性质
热稳定 共价键连接，300-500℃ 性高
规整结构,有序孔
多孔 晶体
COFs
孔径范 从微孔到介孔 围宽
结构 多样
低密度
COF-108低至 0.17cm3g-1
共价有机框架材料的合成
共价有机框架材料的合成
共价有机框架材料（Covalent Organic Frameworks，简称COFs）是一种新型的
有机材料，具有高度可控性、结晶性好、孔隙结构丰富等特点，因此在催化、分离、药物输送等领域具有潜在的应用前景。
本文将介绍共价有机框架材料的合成方法及其应用前景。
首先，共价有机框架材料的合成方法多样，包括以缩合反应为主的一步法、以
聚合反应为主的二步法、以后修饰为主的后修饰法等。
其中，一步法合成是目前较为常用的方法，通过在溶液中加入单体，经过缩合反应形成COFs；而二步法合成
则首先合成预聚体，再通过聚合反应形成COFs。
此外，后修饰法在合成COFs后，通过功能化反应在COFs表面引入不同的功能基团，从而赋予COFs更多的应用特性。
其次，共价有机框架材料具有丰富的应用前景。
在催化领域，COFs的孔隙结
构可提供高度可控的反应环境，有利于提高催化活性和选择性；在分离领域，COFs的高表面积和可调控的孔隙结构可实现对分子的选择吸附和分离；在药物输
送领域，COFs的孔隙结构可以用来载药，实现药物的控释和靶向输送等。
总的来说，共价有机框架材料的合成是一个复杂而富有挑战性的过程，需要在
材料的设计、合成、表征等方面进行深入研究。
但随着人们对COFs的认识不断加深，其在催化、分离、药物输送等领域的应用前景将不断拓展，为材料科学领域带来新的发展机遇。
COFs的研究既可以探索其基本属性，也可以探索其在环境、能
源等领域的应用潜力，为构建可持续发展的社会做出贡献。
共价有机框架基储能材料的设计合成及其性能研究
共价有机框架基储能材料的设计合成及其性能研究共价有机框架（Covalent Organic Frameworks，简称COFs）是一种新型的多孔材料，具有高度有序的结构和丰富的功能化修饰基团，被广泛研究和应用于气体吸附、储能、光催化等领域。
近年来，人们对COFs在储能领域的应用进行了深入的研究。
储能材料是可持续发展和新能源研究的关键。
COFs具有超高比表面积、可调控孔径、良好的化学稳定性和独特的孔道结构，因此被认为是一种潜力巨大的储能材料。
设计和合成具有高储能性能的COFs是目前研究的重点之一。
首先，在COFs的设计合成方面，研究人员注重控制COFs的晶体结构和孔道结构，以获得理想的储能性能。
通过选择合适的有机基团和金属离子构建COFs的骨架结构，可以实现COFs的可调控性和结构多样性。
例如，通过引入具有强电子亲和力的官能团，可以增加COFs吸附和存储气体（如氧气、氢气等）的能力。
通过在COFs中导入导电性较高的功能基团，可以提高其电储能性能，实现电荷的传输和储存。
其次，COFs的物理和化学性能研究也是储能领域的关键。
通过表征COFs的结构、形貌和孔道结构，可以深入了解COFs的储气和储电机制。
利用吸附实验、电化学实验和物理模拟方法，可以研究COFs的气体吸附能力、电导性质、循环稳定性和储能密度等性能指标。
这些研究有助于揭示COFs储能机制的本质，进一步改进COFs的储能性能和稳定性。
最后，COFs在储能领域的应用前景不可估量。
研究人员通过调控COFs的结构和功能基团，实现了COFs在超级电容器、锂离子电池和燃料电池等能量存储装置中的应用。
相比传统的储能材料，COFs具有更高的比能量和更快的充放电速率。
此外，COFs还可以通过调控其孔道结构和吸附性能，在气体储存和分离领域具有重要的应用潜力。
综上所述，共价有机框架作为一种新型的储能材料，其设计合成和性能研究对于实现高效储能具有重要意义。
通过精确控制COFs的结构和功能基团，可以优化其储气和储电性能。
共价有机骨架材料COFs文件.ppt
2.5 COFs的性质
热稳定 共价键连接，300-500℃ 性高
规整结构,有序孔
多孔 晶体
COFs
孔径范 从微孔到介孔 围宽
结构 多样
0.0
低密度
COF-108低至 0.17cm3g-1
结构单元多样化 13
三、 COFs的应用
3.1 气体储存
Material
Composition
pore Vp,DR/ size/Å cm3g-1
5
COFs材料的分类
1.2.2 按空间构型分类：2D COFs 和3D COFs
2D COFs的构建方法：
D. Jiang, et al., Chem. So0c..0Rev., 2012, 41, 6010-6022.
6
3D COFs的构建方法
3D COFs的特点： ①通过共价键连接扩展形成网状结构 ②具有较大的BET值（可达4000m2g-1） ③更高的热稳定性（400-500℃） ④密度小（最低至0.17cm-3g-1）
SBET/ m2g-1
H2 uptake/ CH4 uptake/ CO2 uptake/
mg g-1
mg g-1
mg g-1
COF-1
C3H2BO
9
0.3
750
14.8
40
230
COF-5
C9H4BO2
27
1.07
1670Leabharlann 35.889870
COF-102
C25H24B4O8
12 1.55
3620
72.4
A. Thomas, et al., Angew. Ch0.e0m. Int. Ed., 2008, 47, 3450-3453.
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
A. Thomas, et al., Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 3450-3453.
11
2.4 其他合成方法
单层COFs的合成
W. R. Dichtel, et al., Science, 2011, 332, 228-231.
12
COF-103的BET 4210m2 /g
⑤很多开放位点
储存气体的良好“容器”
O. M. Yaghi, et al., Science, 2007, 316, 268-272.
7
3D COFs的构建
Y. Yan, et al., J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 8352-8355.
8
二、COFs合成方法
2.1 溶剂热法
50 2
50 2
[EtOH] -H P-COF 50 2
[EtNH ] -H P-COF 2 50 2
15
Carbon dioxide adsorption capacity D. Jiang, et al., J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 7079-7082.
3.2 在催化中的应用
A. 骨架杂原子配位金属引入催化位点 骨架官能团衍生化引入催化位点
设计策略
B.单体导入官能团作为催化位点
16
骨架杂原子配位金属引入催化位点
Entry
1 2 3 4
R
X Time(h) Yield(%)
I
3
96
I
2
97
Br 2.5
98
Br 3
97
W. Wang, et al., J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 19816-19822.
共价有机骨架聚合物(COFs)的 合成及应用
报 告 人：× × 时 间： × ×
1
目录
一、COFs材料介绍 二、 COFs材料合成方法 三、 COFs材料应用 四、小结和展望
2
一、COFs材料介绍
1.1 COFs的概念 共价有机骨架聚合物（Covalent organic frameworks） 简称COFs，是以轻元素C、O、N、B等以共价键连 接而构建，经热力学控制的可逆聚合形成的有序多孔 结构的晶态材料。
1.2.2 按空间构型分类：2D COFs 和3D COFs
2D COFs的构建方法：
D. Jiang, et al., Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 6010-6022.
6
3D COFs的构建方法
3D COFs的特点： ①通过共价键连接扩展形成网状结构 ②具有较大的BET值（可达4000m2g-1） ③更高的热稳定性（400-500℃） ④密度小（最低至0.17cm-3g-1）
微波条件下反应
100℃，60min
microwave tube
特点：合成时间短，反应温度相对更低
TpPa-COF
L. Wang, et al., Chem. Commun., 2015, 51, 12178-12181.
10
2.3 离子热法合成COFs
ZnCl2
400℃，40h
不同的单体
CTF（ Covalent TriazineBased Frameworks ）系 列材料
高比 表面
2.5 COFs的性质
热稳定 共价键连接，300-500℃ 性高
规整结构,有序孔
多孔 晶体
COFs
孔径范 从微孔到介孔 围宽
结构 多样
低密度
COF-108低至 0.17cm3g-1
结构单元多样化 13
三、 COFs的应用
3.1 气体储存
Material
Composition
pore Vp,DR/ size/Å cm3g-1
MOF-177
C54H30O13Zn4 11,17
--
4750
75.2
--
O. M. Yaghi, et al., J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 8875-8883.
1490(40bar)
14
COFs孔道功能化储存二氧化碳的研究
CO2 uptake(mg g-1)
-NH
动力学控制
无序多孔材料
热力学控制
O. M. Yaghi, et al., Science, 2005, 310, 1166-1170.
COFs
3
COF-1和COF-5的构建
COF-5
O. M. Yaghi, et al., Science, 2005, 310, 1166-1170.
4
1.2 COFs材料的分类
溶剂：均三甲苯/二氧六环混合
脱气 密封
120℃，3d
Pyrex tube
特点：对COFs材料具有较好的普适性，但合成时间 较长，温度较高
O. M. Yaghi, et al., Science, 2005, 310, 1166-1170.
9
2.2 微波辅助法合成COFs
溶剂：均三甲苯/二氧六环/乙酸混合
187
1200
COF-103 C24H24B4O8Si
12
1.54
3530
70.5
175
1190
zeolites
--
--
--
1250
25.5
86
370
mesoporous silicas
--
--
-- 450-1070
--
14-65
--
MOF-5
C24H12O13Zn4 12,15
--
3800
76
120(300K) 970(40bar)来自SBET/ m2g-1
H2 uptake/ CH4 uptake/ CO2 uptake/
mg g-1
mg g-1
mg g-1
COF-1
C3H2BO
9
0.3
750
14.8
40
230
COF-5
C9H4BO2
27
1.07
1670
35.8
89
870
COF-102
C25H24B4O8
12 1.55
3620
72.4
160
2
140
-OH
120
-COOH
小结：孔道修饰策略得到了一
100
RCOO-
80
Et-
60
40
系列由直接缩合反应难以得到 的孔道多样化的COFs,并且经 过修饰的COFs表现出了明显
20
优化的CO2吸附能力。
0
H P-COF 2
[Et] -H P-COF 25 2
[MeOAc] -H P-COF [AcOH] -H P-COF
1.2.1 按形成的共价键分类
①反应可逆
A.硼氧六环
②构建单元立体构型保持
单体、寡 聚物相互 B.硼酸酯 交换 “Error checking”
C.三 嗪
刚性结构
D.亚 胺
E. 腙
W. Wang, et al., Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 548-568.
5
COFs材料的分类