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Chem. Eur. J. :供受体相互作用增强的二维共价有机框架酸碱气体传感器2024-03-01
青岛科技大学的赵英杰课题组通过胺醛缩合反应制备了基于席夫碱的共价有机框架。由于共价有机框架的特性,作为受体的三嗪基团和作为供体的噻吩基团形成了独特的供受体空间分布,与苯中心的共价有机框架相比,三嗪中心的共价有机框架表现出独特的酸碱双气体响应特性。

 

 

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共价有机框架(Covalent Organic Frameworks, COFs)是由有机单元通过共价键连接形成高度有序结构的多孔晶态材料。通过多样化的结构单元设计,COFs表现出多种化学应用和多维度的空间结构,使得COFs具备可定制化的特性和功能。正因COFs独特的性质使得其在多个领域展现了广泛的应用潜力,尤其是在气体传感方面。但COFs作为传感器材料的研究仍处于起步阶段,对于探测酸性或碱性气体,例如HCl和NH3等,COFs的潜力仍然未被充分发掘。

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文章中分别以苯和三嗪为中心分别制备了B-COF和T-COF,并利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、固态核磁共振(13C NMR)、热重分析(TGA)等手段验证了COFs的结构和稳定性。实验结果显示,T-COF对酸性和碱性气体的传感能力表现出良好的响应速度,颜色的变化可以通过裸眼观察到,T-COF在暴露于HCl气体时会发生橙色到红色的颜色变化,而暴露于NH3时,则表现为橙色到亮黄色的变化,这一变化具有良好的可逆性。通过液态荧光也可发现,在不同浓度的HCl和NH3的DMF溶液中T-COF表现出不同的荧光特性。

之后文中讨论了T-COF对酸碱气体的响应机理,通过FT-IR等技术观察到了T-COF在质子化和去质子化状态下的谱图的变化,并利用DFT计算对质子化过程进行模拟,验证了实验现象。

噻吩和三嗪之间的供受体相互作用导致了在亚胺键和三嗪基团在质子化过程中的电荷转移现象。由于质子化程度的逐步增加,观察到了明显的颜色变化。T-COF展现出了罕见的对酸性和碱性气体同时感知的能力,并显著具备了比色感应功能。这项研究拓展了COF材料在气体传感领域的应用潜力,并且为设计更加智能和高效的气体传感器提供了新的思路和方法,并推动了其在各种传感技术中的发展与应用。

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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