共价有机框架材料简介

多孔材料由于其在气体吸收、气体分离、能量存储、催化反应、离子交换以及纳米技术等领域的广泛应用而成为科学技术研究的热点。多孔材料广泛存在于自然界和日常生活中，如蜂窝、天然沸石、蛋糕、海绵以及防毒面具的过滤器等都是典型的多孔材料。什么是多孔材料？在微观尺度，如果构成这种材料的原子非紧密堆积形成具有大量空隙的结构的材料则定义为多孔材料。依据国际纯粹与应用化学联合会（International Union of Pure and Applied Chemistry， IUPAC）的命名方法，按照聚孔径的大小不同，多孔材料可以分为微孔（micropores，孔直径小于2nm）、介孔（mesopores，孔直径为2～50nm）和大孔（macropores，孔直径大于50nm）。

多孔材料特殊的结构赋予了它比表面积大、孔道尺寸可调控以及结构多样等特点，因此在吸附、催化、离子交换、能源、环境、光电材料和生物医药等领域有着广阔的应用前景。随着现代社会对多孔材料性能及应用的强烈需求，多孔材料得到了迅猛发展。在过去的半个世纪里，科学家设计合成了大量的新型多孔材料。其中有一类材料称为多孔有机聚合物（porous organic polymers，POPs）［1］，这一类材料由纯有机结构单元构件组成。由于其高比表面积、高化学稳定性和低密度等性能得到了学术界和工业界广泛的关注和研究，并在气体存储、气体分离和非均相催化等方面有潜在的应用前景。大多数多孔有机聚合物可以分为以下几类：高度交联聚合物（hyper-cross-linked polymers，HCPs）［2］，有机微孔聚合物（polymers of intrinsic microporosity，PIMs）［3］，共轭微孔聚合物（conjugated microporous polymers，CMPs）［4］，多孔芳香骨架聚合物（Porous Aromatic Frameworks，PAFs）［5］和共价有机框架材料（covalent organic frameworks，COFs）［68］等。

共价有机框架材料是一类具有结晶性和周期性结构的多孔有机聚合物。经过充分设计的有机构建单元通过共价键原子精确连接形成具有周期性多孔框架结构的结晶性共价有机框架材料。2005年， Yaghi等［9］将拓扑设计应用于由可逆的化学键连接的多孔有机聚合物的合成，由此合成出了第一组共价有机框架材料（COF-1和COF-5）。在此之后，由于共价有机框架结构材料统一的结构特征和在功能开发上的巨大潜力，共价有机框架结构材料引起了学者强烈的研究兴趣。在这个里程碑式的发现之后，共价有机框架材料的化学合成得到了显著的发展，并且在功能开发上显示出了巨大的潜力。

由于共价有机框架材料由轻元素通过强共价键连接，所以其拥有较低的密度、高的热稳定性以及固有的多孔性。根据构建单元的维度不同，共价有机框架材料可以分为二维和三维共价有机框架材料。

在二维共价有机框架材料中，定点和棱通过共价键相连接形成延伸的二维多边形片层，这些片层通过层层堆叠构成多层的骨架，从而催生了两种结构特征：①周期性的π阵列。这种π系柱结构可以促进堆叠方向的载流子传输，这意味着二维共价有机框架材料具有开发作为用于光电子和光伏材料的潜力。②有序的一维孔道。这种统一的开放的一维孔道可用于气体存储、客体分子吸附、物质传输以及纳米反应器等［10-17］。

三维共价有机框架材料由三维构建单元通过共价键连接而成。三维共价有机框架材料通常拥有大量开放的孔道，较高的比表面积（有些材料可以高达4000m2／g）和较低的密度（可以低至0．17g／cm3），这些特征使得三维共价有机框架材料成为很有潜力的气体存储材料。