浙江师范大学《Small》：综述！COF/石墨烯复合材料的合成、应用和最新进展

成果简介

为了解决当前的能源危机和环境问题，必须开发和设计适用于水净化和储能的多功能多孔材料。共价有机框架 （COFs） 的出现是多孔材料的革命性领域，其最高级的特征，如可占卜的结构、可调节的孔径和高比表面积。然而，诸如导电性差、难以接近的活性位点阻碍传质以及大块 COF 的可加工性差等问题限制了其更广泛的应用。作为向前迈出的一大步，COF/石墨烯杂化物融合了其组成成分的优势，因此引起了重大的科学兴趣。

本文，浙江师范大学陈成、林红军 教授等研究人员在《Small》期刊发表名为“Covalent Organic Framework/Graphene Hybrids: Synthesis, Properties, and Applications”的综述，研究系统地概述了石墨烯基材料和COFs的结构和性能研究进展。然后，综合综述了制备COF/石墨烯杂化物的合成策略，包括一锅法合成、非原位合成和原位生长。之后，结合它们在吸附、分离、催化、传感和储能等多方面的应用，剖析了COF/石墨烯杂化物的关键属性。最后，本综述通过阐明当前的挑战并展望COF/石墨烯杂化物研究领域的前景来结束。

图文导读

图1、近十年关于石墨烯和COF的发表文章数量

图2、COF/石墨烯杂化物的开发及其在各个领域的首次应用

2.1 原始材料的结构和特性

COF/石墨烯杂化物由具有固有优势的单一原始材料组成，但这些材料面临着阻碍其使用的局限性。本节概述了与石墨烯、石墨烯衍生物和COF材料相关的基本特性和挑战。

2.2 COF/石墨烯杂化物的3种合成策略

2.21 一锅合成

COF/石墨烯杂化物的制备涉及多种方法，但最重要的一种是一锅法合成法，因为它方便且省时。这种方法可以精确控制温度、压力和反应时间等反应条件，从而形成均匀和高质量的材料。一锅法也非常高效，因为它减少了转移过程中的材料损失，从而提高了产量。此外，这是一种具有成本效益的方法，无需额外的设备和加工步骤。

2.22 非原位合成

与原位合成技术相比，非原位合成技术提供了更广泛的可合成材料，因为它不受原位合成所需的特定反应条件的限制。此外，非原位合成通常更有利于扩大规模进行大规模生产，因为它可以方便地使用标准设备和工艺执行，并且可以通过修改合成条件来生产具有定制特性和性能的材料。

图3、a) COP/rGO 的制备过程。b) COF/rGO 复合材料的合成示意图。c) COF/rGO-x 复合材料的制备过程。d) 用于气体分离的 TpPa-1/GO 复合膜的制备过程。

2.31 原位生长

为了优化特定应用的复合材料合成，改进合成方法至关重要。原位生长法是指先用COF的有机单元对GO进行修饰，然后指导COF的后续生长。与上述方法相比，原位生长方法具有某些优势，有助于实验结果。

2.3 COF/石墨烯杂化物的增强特性

为了解决单个材料的缺点，一种方法是通过将它们与其他材料相结合来创造混合体。前面的讨论简要概述了COF/石墨烯杂化物的制备。后续章节将深入探讨杂化对COF/石墨烯杂化物性质的影响，特别是COFs与石墨烯之间的协同效应。本部分将介绍几个示例，以展示增强性能的卓越性能，包括比表面积、孔径、稳定性、导电性和润湿性。

2.4 COF/石墨烯杂化物的应用

将详细讨论COF/石墨烯杂化物的环境和能源应用。

图4、a） GO和COF在锂硫电池中的作用。b） COF示意图ETBC-塔普特-石墨烯薄膜在传感纤维和气体吸收和电荷转移中的位置。c） 电灯开关下的稳定光电流。d） COF/石墨烯复合水凝胶水接触角随不同亲水COF负载量的变化规律。

小结

石墨烯和COFs的杂化催生了一类新型复合材料，在能源和环境领域具有丰富的属性和多种应用。石墨烯的独特特性，特别是其高导电性和大表面积，以及COFs的可调节化学构型和多孔性，为创造具有迷人特征的复合材料提供了机会，例如显着的吸附能力、选择性、灵敏度和光催化活性。因此，本文详细综述了COF/COF杂化物在复合材料形成前后的性能变化，以及石墨烯基/COF杂化材料在吸附、膜分离、催化、传感和储能等方面的应用。共价有机框架（COF）和石墨烯的组合具有多种优势。首先，COF和石墨烯的高表面积进一步增加，为与分子的相互作用提供了更多的活性位点，有利于储气、催化和传感等应用。此外，这种组合提高了材料的导电性，使其适用于储能和电子设备。此外，COF和石墨烯的可调特性可以针对特定应用进行定制，从而实现广泛的潜在用途。总体而言，这种组合的多功能性使其对各种工业和技术应用极具吸引力。尽管如此，仍然需要克服一些障碍，以释放基于石墨烯的COF混合体的全部潜力。

首先，挑战之一是制备具有均匀分散性和石墨烯与COF组分之间强相互作用的复合材料。杂化材料之间的作用力是评价它们在应用过程中能否保持稳定性的重要因素，尤其是石墨烯基/COF杂化材料在发生电子转移的反应体系中。与通过非共价键结合的石墨烯基材料和COF之间的杂化材料相比，使用共价键连接的杂化材料对电子转移具有很强的促进作用。因此，开发通过强相互作用力连接的石墨烯和COF组分对于保持反应体系的稳定性具有重要意义。

其次，另一个挑战是合成方法的可扩展性，因为大多数报道的方法仅限于小规模合成。较常见的一锅法可用于大规模生产杂化材料，但这种方法耗时长，且杂化材料的纯度不高。一锅法不能用于需要更高纯度杂化材料才能完成的应用。原位生长是一种提高杂化材料纯度的制备方法，但仅限于小规模合成。因此，开发合适的制备方法也是未来的研究方向。

对于未来的研究，除了上述制备方法外，还需要注意两点。首先，研究应侧重于应对这些挑战，并探索新的基于石墨烯的COF杂化物在环境修复中的应用。一个有前途的方向是开发可以同时执行多种任务的多功能复合材料，例如吸附和光催化。将多种功能集成到一种材料中可以降低修复过程的复杂性和成本，并提供更高效和可持续的解决方案。

其次，未来研究的另一个方向是探索具有结构和成分变化的新型石墨烯基COF杂化材料。开发具有不同孔径、形状和表面官能团的新型COF可以扩大应用范围，并为吸附、分离、催化、传感和储能提供新的机会。除了材料创新外，即将到来的分析还应优先考虑研究与石墨烯基COF混合材料相关的生态影响和安全考虑。应仔细研究石墨烯和COF成分释放到环境中的潜在情况及其对生态系统和人类健康的长期影响，以确保这些材料的安全使用和处置。

综上所述，石墨烯基COF杂化材料的发展为环境修复和能源应用开辟了新的机遇。这些材料具有增强的特性，如高吸附能力、选择性、灵敏度和光催化活性，可以为环境挑战提供更有效和可持续的解决方案。然而，需要进一步的研究来应对这些挑战并探索这些材料在环境应用中的全部潜力。

文献：https://doi.org/10.1002/smll.202310174