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Chem. Eur. J. :供受體相互作用增強的二維共價有機框架酸堿氣體傳感器2024-03-01
青島科技大學的趙英杰課題組通過胺醛縮合反應制備了基于席夫堿的共價有機框架。由于共價有機框架的特性,作為受體的三嗪基團和作為供體的噻吩基團形成了獨特的供受體空間分布,與苯中心的共價有機框架相比,三嗪中心的共價有機框架表現出獨特的酸堿雙氣體響應特性。

 

 

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共價有機框架(Covalent Organic Frameworks, COFs)是由有機單元通過共價鍵連接形成高度有序結構的多孔晶態材料。通過多樣化的結構單元設計,COFs表現出多種化學應用和多維度的空間結構,使得COFs具備可定制化的特性和功能。正因COFs獨特的性質使得其在多個領域展現了廣泛的應用潛力,尤其是在氣體傳感方面。但COFs作為傳感器材料的研究仍處于起步階段,對于探測酸性或堿性氣體,例如HCl和NH3等,COFs的潛力仍然未被充分發掘。

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文章中分別以苯和三嗪為中心分別制備了B-COF和T-COF,并利用傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、固態核磁共振(13C NMR)、熱重分析(TGA)等手段驗證了COFs的結構和穩定性。實驗結果顯示,T-COF對酸性和堿性氣體的傳感能力表現出良好的響應速度,顏色的變化可以通過裸眼觀察到,T-COF在暴露于HCl氣體時會發生橙色到紅色的顏色變化,而暴露于NH3時,則表現為橙色到亮黃色的變化,這一變化具有良好的可逆性。通過液態熒光也可發現,在不同濃度的HCl和NH3的DMF溶液中T-COF表現出不同的熒光特性。

之后文中討論了T-COF對酸堿氣體的響應機理,通過FT-IR等技術觀察到了T-COF在質子化和去質子化狀態下的譜圖的變化,并利用DFT計算對質子化過程進行模擬,驗證了實驗現象。

噻吩和三嗪之間的供受體相互作用導致了在亞胺鍵和三嗪基團在質子化過程中的電荷轉移現象。由于質子化程度的逐步增加,觀察到了明顯的顏色變化。T-COF展現出了罕見的對酸性和堿性氣體同時感知的能力,并顯著具備了比色感應功能。這項研究拓展了COF材料在氣體傳感領域的應用潛力,并且為設計更加智能和高效的氣體傳感器提供了新的思路和方法,并推動了其在各種傳感技術中的發展與應用。

文信息

Donor-Acceptor Interactions Enhanced Colorimetric Sensors for Both Acid and Base Vapor Based on Two-Dimensional Covalent Organic Frameworks

Xuhan Zheng,?Wenqi Qiu,?Jialin Cui,?Hui Liu,?Yunzheng Zhao,?Prof. Jianming Zhang,?Prof. Zhenxiu Zhang,?Prof. Yingjie Zhao

Chemistry – A European Journal?

DOI:?10.1002/chem.202303004

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