近日，能源/环境材料精准设计和功能开发团队在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上发表了一项突破性研究，成功开发出首例“8”字形共价有机框架材料（COFs）。这一创新性成果不仅为材料科学领域带来了全新的分子框架设计思路，还为高效光催化制备过氧化氢提供了新的解决方案。

8 字形分子是具有独特美学的封闭 π 共轭大环，其分子中心有非接触交叉点，呈现出独特的美学特征。过去一个世纪以来，研究主要集中于合成具有不同π主链结构的8字形分子。尽管具有不同π骨架的8字形分子被陆续报道出来，但是由于其高度扭曲的非平面结构，利用这些8字形单元制备无机、有机和聚合物材料仍处于早期阶段，制备结构明确的 8 字形材料依旧是一项极具挑战性且尚未攻克的难题。

本研究首次成功制备并展示了 8 字形共价有机框架（COF）的实例。将具有扭曲折叠的 [8] pcpt 四酐与平面分子2,5 - 二氨基吡啶（Pyr）聚合，形成 6.8 Å 厚的双层 8 字形框架。与传统平面构筑块不同，该框架层间距离 10.4 Å，8 字形节点间距 3.6 Å（沿 z 轴），通过 π 相互作用实现超分子聚合，区别于传统单原子层 COF，获得的 8 字形 COF 框架呈现出新颖的双层结构。

图1. Imide-[8]_pcpt-Pyr-COF的合成及其空间结构。

随后通过多种表征手段系统地验证了Imide-[8]pcpt-Pyr-COF的结构与性质，突出其在晶体结构、多孔性、化学稳定性以及亲水性等方面的优越性。这些结果为其在光催化和其他功能性应用中的潜力提供了强有力的证据。

图2. Imide-[8]pcpt-Pyr-COF的结构表征。

系统性地验证了Imide-[8]pcpt-Pyr-COF的光催化性能及其反应机理，材料能在水、氧气和光照条件下，以高速率和高量子效率生成过氧化氢。8字形节点和吡啶连接基元分别作为水氧化和氧还原的光催化位点，光生空穴和电子通过堆叠的π柱积累传输，1D孔道允许水和氧气快速传输，使得8字形COFs能够快速有效的产生过氧化氢。

图3. Imide-[8]pcpt-Pyr-COF 的光电表征和光催化测试。

创新亮点：

1. 独特的“8”字形结构：研究团队首次将“8”字形分子单元引入共价有机框架材料中，成功构建了具有双层层状结构的二维多孔材料。这种独特的“8”字形结构不仅赋予了材料独特的美学特征，还通过非接触式分子交叉形成了高度扭曲的π共轭体系；

2. 高效光催化性能：该材料在光照下表现出优异的光电导性和电荷传输能力，能够将“8”字形节点和连接单元分别转化为还原中心和氧化位点，从而实现高效的光催化反应。研究显示，该材料能够以水/盐水、氧气/空气和光为唯一输入，高效地催化生成过氧化氢（H₂O₂），且无需牺牲剂或助催化剂；

3. 高量子产率的发光材料：与传统的酰亚胺连接的COFs不同，这种“8”字形COFs表现出强烈的橙色荧光，具有较高的绝对量子产率，为其在光电器件中的应用提供了潜在可能；

4. 优异的水和氧气传输能力：材料内部的亲水性微孔通过毛细作用实现了水和氧气的快速传输，进一步增强了其光催化性能。

这项研究不仅为共价有机框架材料的设计开辟了新方向，还为“8”字形分子材料研究提供了全新的视角。未来，随着更多类似材料的开发，这一领域有望在光催化、能源转换和存储等方面展现出更广阔的应用前景。

这一研究成果近期被发表在Angew. Chem., Int. Ed.，论文的第一作者是海南大学化学化工学院博士研究生李亚玲。

该研究得到国家重点研发计划（2021YFA1200401）和国家自然科学基金（21975049）的资助。

Crystalline, Porous Figure-Eight-Noded Covalent Organic Frameworks

Yaling Li, Dr. Shanshan Tao, Dr. Yongzhi Chen, Dr. Xingyao Ye, Haipei Shao, Dr. Ming Lin, Prof. Dr. Yongfeng Zhi, Prof. Dr. Donglin Jiang

 Angew. Chem., Int. Ed. 2025, e202425103.

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202425103

撰稿：支永峰、江东林、李亚玲

编辑：李诗琪

审核：潘福生