Small:无金属共价有机骨架材料在催化中的应用

在过去的几十年中,催化剂的不断创新发展不但提高了能源利用效率和加速对新材料的开发,同时也降低了生产成本,极大地促进了化学工业的发展。尽管均相催化剂在许多化学反应中均表现出优异的催化性能,但由于难以回收再利用、使用贵金属催化剂造成的二次污染及在有机合成中不利于产品的分离和提纯(尤其在药物合成领域)等因素,而促使沸石、金属有机骨架(MOFs)和有机多孔聚合物(POPs)等非均相催化剂相继被合成与运用,受到了越来越多的关注。

共价有机骨架(Covalent Organic Frameworks,COFs)作为一类由共价键(B-O,C-C,C=C,C=N和C-N等)连接而成的二维或三维晶型有机多孔材料,具有许多独特的性质,包括高比表面积,低密度,可调且独立的规则孔道(从微孔到中孔尺寸)等优点,已被证明在气体吸附,传感,质子传导,能量存储,药物传递以及光电材料等领域存在巨大的潜在应用前景。特别是,合理设计得到的COFs表现出强的热稳定性及出色的化学稳定性,为非均相催化提供了一个优良的平台。COFs材料中构筑单元的多样性及灵活性实现了催化功能的多样性,而活性位点的均匀分布则可以实现对催化的精准控制。这些特性优异的COFs被认为是作为多相催化剂的最佳选择。

新加坡南洋理工大学张其春教授和兰州大学张浩力教授从无金属COF材料作为催化剂的角度,综述了这些材料的合成,介绍了该催化剂的优点,简述了其在有机转化、光催化有机反应和能量转化(如:水分解和二氧化碳还原等)以及光催化污染物降解等领域中的应用和机制,并对这一研究领域中存在的挑战和发展前景进行了展望。

总之,COFs作为非均相催化剂比均相催化剂具有以下几个优势:(1)高稳定性的COFs材料在多次循环后可以保持其原始结构,这可以进一步减少这类催化剂的使用量;(2)永久的孔隙率可以提高有效的质量传输效率,并加速它们与催化中心的接触,表现出优异的催化性能;(3) 结构和纳米孔的高度规整性保证活性位点均匀地分布在孔壁上,促使底物更容易到达催化位点并有效地促进反应;(4)设计的灵活性和合成方法的多样性进一步增强了COFs作为催化剂的魅力。尽管在过去几年中,基于COFs的多相催化领域已经取得了一些进展,比如手性COF催化剂的开发,合成和应用已被认为是不对称合成的新途径;COFs作为光催化剂表现出出色的光吸收和载流子传输能力,实现太阳能到化学能的稳定过渡等等。但是COFs的无金属催化剂材料的研究仍处于初级阶段,开发适用于各种催化应用的高效COFs催化剂面临着众多机遇和挑战,尤其是其工业应用,相信随着对COFs材料更深入的研究,作为非均相催化剂的COFs材料会发挥越重要的作用。

相关工作在线发表在Small(DOI:10.1002/smll.202001070)上。