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邓鹤翔教授团队在共价有机框架(COF)领域取得新进展

多孔二维共价有机框架单晶原子级精度结构解析

发布时间 :2024-07-15 07:39  来源:

近日,《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc.)在线发表新葡的京集团35222vip邓鹤翔教授团队在共价有机框架(COF)领域的最新成果。该研究合成了一系列多孔二维COF(2D COF)单晶,通过单晶X射线衍射,首次以原子级精度揭示了多孔2D COF在溶剂中的层间堆叠模式,以及由AA到AB结构的分步演变过程。

该论文题为 “单晶X射线衍射揭示二维共价有机框架的结构演化”《Structure Evolution of 2D Covalent Organic Frameworks Unveiled by Single Crystal X-ray diffraction》。第一作者为新葡的京集团35222vip的2021级硕士生易乐智,通讯作者为邓鹤翔教授。

COF作为一类由分子通过共价键构筑的新型晶态孔材料,在能源储存、气体分离、绿色催化、生物医药等方面有着广泛应用。由于共价键可逆性相对较弱,COF很难获得高质量的大尺寸单晶,其高精度结构表征极具挑战。近年来,三维COF(3D COF)的单晶生长接连取得突破,然而,在 COF种类中占绝大多数的2D COF则进展缓慢。与3D COF不同,2D COF的晶体不仅涉及层内的共价连接,还涉及到层间非共价堆叠,溶剂对结构的影响较大,其晶体结构极为复杂,原子级精确结构一直难以获得。

在此工作中,研究人员成功的实现了九种2D COF的高质量单晶生长,以Py-1P 为例,晶体尺寸最大达45 μm (图一)。通过“结构解析金标准”——单晶X射线衍射,研究人员获得了这些2D COF在常压溶液环境下的原子级精确结构,分辨率高达0.85埃,从而成功揭示了此前难以获得的2D COF层间堆叠模式,倾角,层间距,窗口尺寸等真实信息,为研究其动态演变行为提供了明确的结构支撑。研究发现,2D COF由AA堆叠分步向AB堆叠模式转变,其结构参数如倾斜角度、层间距等的变化是非线性的(图一)。AB堆叠的层错为晶格的1/14和1/20,拓展了人们对2D COF的认知。

图一. 2D COF单晶的框架结构图,对应方向的衍射花样,ORTEP图和光镜照片。

论文的合作者包括新葡的京集团35222vip博士生高艺君,本科生罗舒茗、王天羽。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金的支持。新葡的京集团35222vip科研公共服务平台、新葡的京集团35222vip大型仪器共享平台、上海同步辐射光源(SSRF)、新葡的京集团35222vip生命科学学院光学成像平台为此工作的开展提供了有力的支持。

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c05705

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