2025年9月11日，北京理工大学王博、马青朗团队在共价有机框架材料合成方面取得重要进展。相关研究成果以“Rapid solid-phase synthesis of highly crystalline covalent organic framework platelets”为题，发表在Nature Chemical Engineering期刊上。该成果介绍了一种固相热压方法，能够以简便、高效、无溶剂的方式快速制备高结晶性COFs片材成型体。利用该方法成功合成了15种不同结构的COF片材成型体，并以其中一种β-酮烯胺COFs片材在空气取水装置中进行了概念验证演示。通讯作者是北京理工大学化学与化工学院王博教授、前沿交叉科学院马青朗副教授，第一作者是博士研究生金业豪。

共价有机框架（COFs）是由有机单元通过共价键连接形成的晶态多孔材料，其具有规整孔道、高比表面积和结构可调等特性，在气体储存、分离、催化、传感及能量转换等领域应用前景广阔。近二十年来，COFs研究在拓展其拓扑结构设计和化学连接键方式（如硼酸酯键、亚胺键等）方面取得了显著进展，但其合成与实用化仍面临挑战。目前最常使用的溶剂热合成法需高温、长时间反应及复杂操作，限制了COFs的规模化制备与实际应用。此外，常规方法合成的COFs多为微晶粉末状，难以直接用于涉及气流或液流吹扫的应用场景，例如在吸附和催化等应用中易引起堵塞和污染。为克服这些限制，研究人员开发了离子热、机械化学、微波辅助等替代方法，可显著缩短反应时间。然而，这些方法仍多依赖有机溶剂或金属催化剂，且产物结晶度与孔隙率普遍较低。与此同时，COFs块材的制备策略（如烘焙法、溶胶-凝胶法和有机回流法等）也被开发出来。这些方法虽可实现COFs成型，但仍普遍存在适用连接类型有限、大量溶剂和反应时间长等问题，且需针对不同体系优化条件才能获得理想晶体质量。因此，在COFs块材合成方法的简便性与晶体质量之间仍存在显著矛盾。

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针对以上挑战，北京理工大学王博、马青朗发展了一种固相热压合成COFs片新方法。该方法具有简便高效、环境友好且适用性广的特点，且所制备的COFs片具有较高的结晶性和孔隙率。15种结构各异的高结晶性COFs材料，涵盖亚胺键、腙键、β-酮烯胺键、酰亚胺键COFs以及三维拓扑结构COFs和三组分COFs均可在5分钟内合成。该方法兼具结晶质量高、操作简便、适用性广和环境友好等优势，并可获得宏观片材的COFs产品，有望突破COFs材料在合成领域长期面临的瓶颈，推动其走向实际应用。

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作者首先验证了固相热压法在合成亚胺键COFs的可行性。基础化学结构表征包括红外光谱，固态核磁碳谱，PXRD和N₂吸附-解吸实验证实了亚胺COFs的成功合成，且展现出优异的高结晶性和比表面积。随后作者通过一系列反应参数调控和对比实验验证了外加压力是快速合成高结晶COFs材料的关键因素。同时，作者也通过密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟计算对合成机理进行更深入理解，阐明了压力促进单体面内边缘位点生长，单体插层和层层堆叠的反应机理。

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固相热压法具有良好的普适性和可拓展性。作者验证了该方法在腙键、β-酮烯胺键和酰亚胺键的COFs的合成，以及复杂的多单体组分COFs和三维COFs的合成。此外，通过调节合成的量，成功制备一个200 cm²（10 cm × 20 cm）尺寸的独立自支撑COFs片，证明了热压方法具有大规模生产COFs材料的应用潜力。

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作为概念验证应用，作者将所制备的COFs片作为吸附材料用于空气取水应用研究，其中一种β-酮烯胺COF片展现出优异的水吸附性能，在相对湿度（RH）仅为30%的环境下展现出每克吸附剂0.43克的吸水量。此外，作者进一步将COFs片进行装置集成验证了所合成COFs片在实际场景中的取水能力和应用潜力。

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综上所述，北京理工大学王博、马青朗提出一种快速且普遍适用的固相热压合成法合成高结晶性COFs片。15种不同类型COFs材料被成功制备，涵盖亚胺键、腙键、β-酮烯胺键和酰亚胺键，以及三维COFs和三组分COFs。合成过程仅需5分钟内，且所得COFs产物具备高结晶度和高孔隙率。并选取其中一种β-酮烯胺COFs片作为吸附材料用于空气取水应用演示。该方法结晶质量高、操作简便、适用性广、环境友好，且可获得宏观形貌的产品，有望解决COFs材料长期以来在合成上面临的挑战，推动其走向实际应用。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s44286-025-00277-9