萊斯大學(xué)的工程師們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種創(chuàng)新的方法來(lái)制造共價(jià)有機(jī)框架(COFs)，這種特殊材料可以用來(lái)捕獲氣體、過(guò)濾水和加速化學(xué)反應(yīng)。COFs有潛力解決重大的環(huán)境挑戰(zhàn)，包括能源儲(chǔ)存和污染控制。這方面的一個(gè)例子是它們?cè)?永久化學(xué)品"或全氟烷基和多氟烷基物質(zhì)(PFAS)的凈化方面的潛在用途。

萊斯大學(xué)化學(xué)工程師Rafael Verduzco和他的團(tuán)隊(duì)在《ACS應(yīng)用材料與界面》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究中描述了一種低成本、高通量合成高質(zhì)量COFs的新方法，該研究將在該雜志未來(lái)一期的封面上刊登。這項(xiàng)工作包括對(duì)不同合成方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的仔細(xì)分析，并詳細(xì)介紹了一種通用的、具有成本效益的制造COFs的方法。這包括一個(gè)多流微反應(yīng)器和輸入輸出過(guò)程的仔細(xì)校準(zhǔn)。

“我們建立了一個(gè)小型的連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)，就像實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)上的一個(gè)小型工廠，在這里，COFs的成分是在一個(gè)穩(wěn)定的流中混合和反應(yīng)的，而不是在一個(gè)大容器里一次全部反應(yīng)，”萊斯大學(xué)的博士生校友、該研究的第一作者薩菲亞·哈利勒(Safiya Khalil)說(shuō)。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)流動(dòng)合成生產(chǎn)的一種COFs比使用其他方法生產(chǎn)的COFs在分解全氟辛酸(PFOA)方面更好，全氟辛酸是一種與許多健康風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的全氟辛酸化合物，包括癌癥和生殖危害。

“這是一個(gè)令人鼓舞的發(fā)現(xiàn)，它增加了越來(lái)越多的證據(jù)，表明COFs可能在開(kāi)發(fā)更清潔、更有效的污染物去除技術(shù)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，”Verduzco說(shuō)，他是賴斯大學(xué)化學(xué)和生物分子工程教授兼副主席，也是該研究的通訊作者。

COFs是由微小的重復(fù)單元連接在一起形成微觀海綿狀結(jié)構(gòu)的結(jié)晶聚合物。這些材料以其孔隙度，大表面積和可調(diào)節(jié)的分子結(jié)構(gòu)而脫穎而出，這些特征可以用于廣泛的應(yīng)用，包括半導(dǎo)體，傳感器，藥物輸送和過(guò)濾。然而，生產(chǎn)COFs的過(guò)程緩慢而昂貴，限制了它們的廣泛應(yīng)用。

“我們希望這種方法能使大量生產(chǎn)COFs變得更容易，并有助于加速新配方的發(fā)現(xiàn)，”哈利勒說(shuō)，她在萊斯大學(xué)獲得化學(xué)和生物分子工程博士學(xué)位，在那里她是Verduzco聚合物工程實(shí)驗(yàn)室的一部分。

哈利勒將這種新方法比作制作小批量的餅干，而不是一次烤一大批。雖然這不是第一次使用流動(dòng)反應(yīng)器合成來(lái)制造COFs，但萊斯大學(xué)研究人員的方法從以前的方法中脫穎而出，因?yàn)樗闪藘煞N不同的COF化學(xué)物質(zhì)的連續(xù)合成和處理，從而產(chǎn)生了更多樣化的宏觀形式。

哈利勒說(shuō):“這種方法可以讓你不斷地吃到新鮮的餅干，同時(shí)控制溫度和每一步的混合，每次都能得到最好的質(zhì)量?！薄斑@個(gè)過(guò)程更快，消耗更少的能源，并且可以更好地控制最終產(chǎn)品。”

傳統(tǒng)的COF合成需要使用高溫、高壓和有毒的有機(jī)溶劑，限制了COF的廣泛生產(chǎn)和使用。研究人員的流動(dòng)合成策略不僅可以更快地生產(chǎn)COF，還可以創(chuàng)造具有優(yōu)異結(jié)晶度的COFs。

新合成的COFs之一在分解“永久化學(xué)物質(zhì)”方面非常有效的證據(jù)，展示了新方法的實(shí)際好處。分解過(guò)程稱為光催化降解，由光激活并在室溫下發(fā)生。

哈利勒說(shuō):“把這些COFs想象成強(qiáng)大的海綿，內(nèi)置‘陽(yáng)光引擎’，可以比目前的方法更快地分解有害化學(xué)物質(zhì)。”“我們合成的一種COFs在分解PFOA方面比二氧化鈦等傳統(tǒng)材料更有效，二氧化鈦是一種用于污染控制的常見(jiàn)光催化劑?！?/p>