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沸石分子筛(zeolite)作为一种铝硅酸盐微孔无机材料,其在化学工业中被广泛应用。然而,因为这些材料的结构通常由Si、Al四面体原子构建而成,其孔道的窗口和孔径通常都很小,这极大地限制了它们在大分子吸附和催化方面的应用。此外,类沸石分子筛的无机-有机杂化材料——分子筛咪唑框架(zeolitic imidazole frameworks, ZIFs),虽然很大程度提高了孔隙,但其孔道的窗口仍然很小。此外由于配位键的性质,ZIFs的化学稳定性相对较差。因此,开发一种具有大孔道、高稳定性的新型类沸石多孔材料具有重要意义。
自2005年报道了有机晶态多孔材料---共价有机框架(covalent organic frameworks, COFs)以来,COFs作为一种具有高结晶性、共价键连接的有机多孔材料在不同的领域引起了广泛的关注。然而,到目前为止,如何利用四面体构筑单元合成类沸石分子筛的有机晶态多孔材料的方法还有待探究。为了解决上述问题,吉林大学方千荣教授,王钰杰博士和北京大学孙俊良教授成功利用两个键角自由度不同的四面体结构单元TMSFTA和BMTA(其中TMSFTA的键角固定,BMTA的键角相对自由),首次设计并合成了一种具有分子筛crb拓扑(即BCT沸石)的有机晶态多孔材料,也叫分子筛有机框架(zeolitic organic frameworks, ZOFs)。并且通过单晶三维电子衍射技术确定了ZOF-1的结构。 值得注意的是,由共价键连接的ZOF-1具有良好的化学稳定性,在常见的有机溶剂,沸水和pH=1和pH=14的酸碱环境中均可以稳定存在。此外,这种纯有机的ZOF-1有着较大的孔径(~ 16 Å)和高的比表面积(~ 2785 m2/g),远远优益于具有相同拓扑的类分子筛材料,如传统的无机铝硅酸盐分子筛(BCT)和无机-有机杂化的ZIFs (ZIF-1, ZIF-2和ZIF-64)。同时,ZOF-1对H2有着良好的吸附性能,在77K下氢气吸附量为223 cm3/g (1.99 wt%),在87K下氢气吸附量为154 cm3/g (1.38 wt%)。并且,ZOF-1对CO2和N2,CO2和CH4有着良好的气体分离能力。 本研究为构建具有大孔道、高稳定性的晶态有机分子筛材料开辟了一条新的途径,将促进其在大分子吸附和催化等方面的潜在应用。 论文信息 Design and Synthesis of a Zeolitic Organic Framework Yaozu Liu,Dr. Pohua Chen,Dr. Yujie Wang,Jinquan Suo,Jiehua Ding,Dr. Liangkui Zhu,Prof. Valentin Valtchev,Prof. Yushan Yan,Prof. Shilun Qiu,Prof. Junliang Sun,Prof. Qianrong Fang 文章的第一作者是吉林大学的博士研究生刘耀祖和北京大学博士研究生陈柏桦。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202203584

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