共價有機框架（COF）膜以其精確的拓撲結(jié)構(gòu)和規(guī)則的納米孔道，在分離領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。與傳統(tǒng)無定形聚合物膜相比，COF膜具有規(guī)則的納米孔道結(jié)構(gòu)，在理想條件下其孔徑分布較窄，能夠在保持高滲透性的同時顯著提升分離選擇性，從而有效緩解傳統(tǒng)膜材料面臨的選擇性與滲透性“權(quán)衡”難題。此外，COF膜通過強大的面內(nèi)共價鍵和層間π-π相互作用，保證了其高穩(wěn)定性和規(guī)則的孔道排列，從而支持其優(yōu)異的溶劑滲透性能，特別適用于高效有機溶劑納濾。然而，當前COF膜的實際應(yīng)用仍面臨顯著挑戰(zhàn)。首先，強π-π相互作用容易導致層間堆疊不均，形成晶界缺陷，從而削弱分離性能；其次，溶液中前體分子的擴散與反應(yīng)速率難以精準匹配，限制了COF膜結(jié)構(gòu)的精確可控性；此外，溶液中COF顆粒易發(fā)生團聚，既阻礙顆粒在基底上的均勻沉積，也影響膜的連續(xù)生長和結(jié)構(gòu)完整性。這些問題顯著限制了COF膜在工業(yè)分離技術(shù)中的性能優(yōu)化與實際應(yīng)用前景。
圖靈共價有機框架納濾膜合成制備示意圖
本研究通過引入單寧酸（Tannic Acid, TA）作為異質(zhì)成核劑，調(diào)控反應(yīng)-擴散動力學，在均相溶液中原位合成具有獨特“圖靈結(jié)構(gòu)”的COF膜。2024年12月11日，該研究成果以《異相成核法制備圖靈共價有機骨架復(fù)合膜合成用于有機溶劑納濾》（Turing covalent organic framework membranes via heterogeneous nucleation synthesis for organic solvent nanofiltration）為題發(fā)表在《科學·先進性》（Science Advances）上。
具體而言，TA分子通過席夫堿反應(yīng)與胺類單體形成復(fù)合前體，一方面增強了前體的反應(yīng)活性，另一方面因分子體積與質(zhì)量的增加而降低其擴散速率，從而調(diào)控其反應(yīng)-擴散動力學條件。此外，TA的空間位阻與電荷排斥作用有效防止了溶液中COF顆粒的聚集，使其轉(zhuǎn)化為均勻分散的球形顆粒。這種機制顯著改善了COF晶體在基底上的均勻堆疊，最終形成條紋狀或斑點狀的“圖靈結(jié)構(gòu)”COF膜，其孔結(jié)構(gòu)均勻，層間堆疊可控。本研究提出了一種全新的COF膜調(diào)控與構(gòu)建方法，通過微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計與宏觀晶體調(diào)控的結(jié)合，優(yōu)化了膜的孔結(jié)構(gòu)與分離性能，為高效可持續(xù)分離技術(shù)的開發(fā)提供了重要參考。
哈工大為論文第一通訊單位，哈工大化工與化學學院博士生楊帆為論文唯一第一作者，張艷秋副教授、孫世鵬教授、邵路教授為共同通訊作者。該研究工作獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、哈工大0-1原創(chuàng)探索基金等資助。
邵路教授為國家高層次人才（特聘教授）、英國皇家化學會會士、黑龍江省杰出青年科學基金獲得者、中國化工學會分子辨識分離工程專委會委員。國家重點研發(fā)國合項目負責人、國家重大研究計劃（重點支持）項目負責人。任領(lǐng)域內(nèi)國際權(quán)威期刊npj Clean Water副主編 （Nature旗下期刊）、Journal of Membrane Science, Advanced Membranes編委等職務(wù)。
期刊首頁：https://www.science.org/journal/sciadv
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