Advanced Materials:结晶有机多孔盐,从微孔到等级孔

多孔材料由于其独特的孔道结构,能够在分子层面控制客体分子与主体材料之间的相互作用,在吸附分离、能源转换和催化等领域广泛应用。不同于传统的多孔材料,结晶有机多孔盐材料是由有机酸、碱通过离子键构成,具备永久性的微孔结构和极性孔道结构。这赋予了结晶有机多孔盐材料在质子传导和极性分子传输等方面的广泛应用。其中,结晶有机盐材料中永久性多孔的构筑仍是一个巨大的挑战。并且,目前所报道的结晶有机多孔盐中只具备单一的微孔结构,这极大地限制了结晶有机多孔盐中客体分子的运输,尤其是有机大分子的传输与扩散。

武汉理工大学苏宝连教授、陈丽华研究员和吉林大学贲腾教授针对这些问题以结晶有机多孔盐(CPOSs)为研究对象,详细介绍和阐述了其定义分类、合成方法、骨架机构、孔道属性和广泛的应用,并提出在CPOSs材料中引入等级孔结构将有效地解决CPOSs材料中流通扩散性能不足的问题。等级孔结构结合了不同尺度的通道结构,能够有效的提升物质传输性能,从而提升材料的目标性能。作者还进一步展望了等级孔道结构在传统的微孔结晶有机多孔盐中的构建的前景,提供了可能性的构建等级孔的策略,并对具体方法及其挑战进行了评估和阐述。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202003270)上。

结晶有机多孔盐材料是由有机酸、碱通过电荷辅助氢键构成的空间有机多孔网络结构。特殊的成键类型赋予了结晶有机多孔盐较强的稳定性,能够应用在负线性压缩等应用领域。独特的结构赋予了结晶有机多孔盐有序的微孔结构和极化的孔道属性,被广泛应用于质子传导和客体分子运输。

作者详细综述了结晶有机多孔盐的合成策略(基于含磺酸或者羧酸基团的有机酸的合成方法),结构属性(永久性多孔、晶体结构、结构特征、CO2吸附特性和极化孔道)和应用领域(质子传导、CO2扩散、负线性压缩性和分子马达)。作者还通过对部分具有多重孔道的结晶有机盐的合成策略(基于配位灵活的团簇、基于超分子笼和基于合成条件的方法)、结构属性(多重孔道结构)和应用领域(荧光调制、电子传输、分子交换和物质封装)的阐述,进一步指导新型有机多孔盐的合成和应用。

虽然结晶有机多孔盐具备丰富的微孔结构和极化孔道,但是其固有的微孔结构不利于物质的传输与扩散,尤其在客体分子是有机大分子的情况下。作者首次提出在结晶有机多孔盐中构建等级孔道体系是解决当前挑战的方法。等级孔结构被广泛应用在传统的微孔材料(分子筛和MOFs)中,被证明能够显著改善材料中物质的传输和扩散性能,提升材料的目标性能。基于在分子筛和MOFs等材料中构建等级孔结构的成熟可行的方法,作者提出了多种可能的方法,主要是原位模板法和从下至上层层组装法。作者对这些方法进行了具体的说明并指出了潜在的挑战。本文对于新型结晶有机多孔盐材料的合成、结构、应用和发展有着重要的指导和促进作用。