超疏水COF-VF用于功能性涂层

浸润是自然界的一种普遍现象，调节材料表面化学组成及表面微观结构可使其获得独特的浸润性。其中，表面静态水接触角≥150°、滚动接触角≤10°的材料被称为超疏水材料。这一类材料在抗污、抗腐蚀以及油水分离中具有优秀的特性。近日，美国南佛罗里达大学的马胜前（点击查看介绍）团队通过对二维共价有机骨架材料（COFs）孔道进行修饰，制备了超疏水共价有机骨架材料。

共价有机骨架材料是一类具有结晶性的有机多孔材料，自2005年第一个共价有机骨架材料报道以来，其构筑策略已得到广泛的研究。但是，共价有机骨架材料孔道表面超疏水性能的设计还处于襁褓阶段。可以预计的是，具有超疏水性能的共价有机骨架材料在能源、环境以及健康领域具有广阔的应用前景。

为此，马胜前团队首先以1,3,5-三（4-氨基苯基）苯和1,4-二醛基-2,5-二乙烯基苯作为构筑单元合成了孔壁乙烯基功能化的COF材料，随后设计通过巯基-烯烃点击反应（thiol-ene click reaction）将1H,1H,2H,2H-全氟十二烷硫醇嫁接到COF孔道中（图1）。由于长链全氟烷烃具有低表面张力和巯基-烯烃点击反应的可控性，可以通过调节反应条件使合成的COF既保持原材料的结晶度和比表面积，还可赋予超疏水性。值得一提的是，基于超疏水性，几乎所有的水溶液，包括无机酸、碱溶液在内都不能浸润该材料，使其具有极其优异的抗酸碱能力。

图1. 超疏水COF材料COF-VF的合成路线。

该团队还设计了一系列实验来探究超疏水COF-VF的实际应用前景。COF-VF可以与许多固体表面结合赋予其疏水性。他们还将COF-VF涂覆在蜜胺泡棉上，得到了COF-VF@foam的复合材料。该材料不仅能高效吸附石油产品，还能有效地吸附氯仿和硝基苯等有毒有机溶剂，并且表现出惊人的吸附能力，其最高吸附能力达到自身重量的142倍，可媲美目前最优异的超疏水材料（图2）。除此之外，COF-VF@foam还具有快速响应能力，5秒钟即可达到饱和吸附状态，吸附完全后通过简单挤压就可移除其吸附的油，并且在多次循环使用后，吸附能力依然处在最佳状态，意味着COF-VF@foam在污水处理方面具有高效且经济的应用前景。该团队随后还研究了COF-VF制备磁性微流体的可能性，他们将COF-VF包覆在0.1 mL含有Fe₃O₄ (2 wt%)水的表面，得到了具有磁性的液体弹珠。该磁性液体弹珠具有稳定的机械性能，是设计制造微流体设备的一种具有应用前景的材料(图3)。

图2. （a）放置在水中的COF-VF@foam（黄色）以及蜜胺泡棉（白色）；（b）压入水中的COF-VF@foam；（c）COF-VF@foam表面静态水接触角；（d）COF-VF@foam可用于分离沉在水底的硝基苯；（e）COF-VF@foam对多种有机溶剂及油的吸附能力（以增加质量比计算）；（f）吸附硝基苯的循环实验。

图3.（a）制备COF磁性液体弹珠的示意图；（b）用0.1 mL含Fe₃O₄水溶液制备的COF磁性液体弹珠和（c）用镊子拾取COF磁性液体弹珠的实物图；（d）COF磁性液体弹珠在水平及（e）竖直方向的磁性测试。

COF-VF的成功制备证实了共价有机骨架材料孔道修饰的巨大潜力，同时COF-VF@foam在吸附有机溶剂能力方面展现出优异的性能，为孔道修饰后的共价有机骨架材料如何与其他材料结合，发挥特异性能提供了新的思路。这一成果近期发表在Chem 上，文章的第一作者是孙琦博士。

该论文作者为：Qi Sun, Briana Aguila, Jason A. Perman, Taylor Butts, Feng-Shou Xiao, Shengqian Ma

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Integrating Superwettability within Covalent Organic Frameworks for Functional Coating

Chem, 2018, 4, 1726, DOI: 10.1016/j.chempr.2018.05.020

马胜前博士简介

马胜前，南佛罗里达大学化学系教授；2003年毕业于吉林大学取得学士学位，2008年在美国俄亥俄州迈阿密大学取得博士学位，2008年至2010年获得美国能源部阿贡国家实验室Director's Postdoctoral Felloship，2010年起就职于南佛罗里达大学，2015提前授予终身副教授并于2018年晋升为教授。

马胜前的研究方向是面向多孔材料如MOFs、POPs和COFs的制备、性能与应用研究。在相关领域发表SCI论文150余篇，包括以通讯作者发表的Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem 等；获得美国授权专利6项，参与撰写8本书籍；所发表的论文引用超过15600次，h因子为62，并入选2016和2017年Web of Science全球高被引用科学家（化学方向）、2014年和2015年美国汤森路透集团全球高被引用科学家（化学方向）名单（Highly Cited Researcher）；获得的主要奖项包括：2008年美国化学会无机化学分会青年化学家奖、2008年美国能源部阿贡国家实验室Director’s Postdoctoral Fellowship、2009年国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）青年化学家奖、2014年美国科学基金会CAREER Award、2015年南佛罗里达大学杰出研究成就奖和2018年南佛罗里达大学Outstanding Faculty Award。

http://www.x-mol.com/university/faculty/38296