【化学前沿科普】有机多孔材料：多孔材料的新机遇
本文由吉林大学孙福兴、朱广山课题组推荐分享。
POF材料，即有机多孔材料，是近几年才被人们重视起来的一类微孔（孔道尺寸一般小于2纳米）材料。顾名思义，POF材料是完全由有机基块构筑的，具有稳定的孔道结构的聚合物材料。有机基块通常是含有苯环、炔基等的有机小分子，同时含有多于一个的卤代基（或硼酸、醛基、氨基、氰基等）可以通过偶联等聚合反应等使这些有机小分子互相连接，从而形成无限连接的聚合物材料。
如图一所示是由吉林大学朱广山和裘式纶课题组在973项目“有机分子基框架多孔材料的前沿研究”（2012CB821700）资助下，完成并报道的一例新型POF材料，其结构完全由苯环组成，因此这类材料又被命名为多孔芳香骨架材料（PAF）。合成该材料的有机基块是对称的四溴四苯甲烷，可以看作是正四面体形的四节点。通过偶联反应，两个有机基块脱掉溴后可以互相连接，每个有机基块和另外的四个有机基块相连，可以形成类似于金刚石的框架结构。
图一 POF材料的设计合成和模拟结构示意图
POF的结构。POF的结构可以是晶态的，也可以是无序的，这和合成它们的聚合反应的选择有很大的关系。由于合成POF结构的有机基块多会选择对称性较高、刚性的小分子，一般认为，就算是对于无序的结构，有机基块还是会按照一定的连接方式聚合，从而在微观尺寸上形成理想的规则的结构。
POF具有有序的微孔结构。POF的微孔结构可以通过材料对氮气等分子作为探针的吸附行为的测试来研究。研究显示，POF一般具有尺寸分布很小的微孔结构，也侧面说明了POF结构微观尺寸上的规则性。而有序单一的微孔结构对于气体存储、小分子分离、催化剂等的担载以及主客体化学的应用和研究都有很大的意义。
POF的内表面积很大。材料的内表面积也是通过氮气等分子作为探针来测试的，可以一定程度上衡量多孔材料吸附小分子的能力。POF材料的内表面积通常在每克1000平方米以上，高于传统的微孔材料沸石分子筛。而PAF-1的内表面积达到每克5600平方米，甚至可以和晶态微孔材料MOF中的佼佼者媲美。
POF的微孔结构具有可调控、可修饰性。鉴于POF的结构完全由有机基块组成，依托于现在发展出的具有很高的定向性的有机合成技术，可以有效的对POF的微孔结构进行大小和形状的调控以及功能的修饰。例如：使用结构相似、尺寸较大的有机基块可以得到孔道尺寸更大的同系列化合物；使用带有某些功能基团的有机基块可以将功能性引入到POF的孔道中。
POF具有很高的稳定性。稳定性是材料在应用过程中必须面对的问题，而多孔材料因为其空旷的结构很容易导致稳定性的下降。POF的一个特点就是其具有很高的热稳定性和化学稳定性，这源于POF的框架都是通过结合力很强的共价键连接的。例如：PAF-1的热稳定性超过500摄氏度，在沸水、常见有机溶剂、强酸中也可以稳定的保持完整的微孔结构。
总结
综上所述，POF材料完全由有机部分组成，其结构可以实现一定程度的设计合成，强大的有机合成技术的支持还允许对POF材料的微孔结构进行调控和修饰。共价键还为POF材料提供了很高的稳定性，非常有利于POF材料在其他领域和实际环境下的应用。因此，POF材料的出现为多孔材料的发展提供了新的机遇。
目前，POF由于发展时间尚短，未来要进入工业生产甚至人们的生活中，还存在一些局限性，例如：成本较高、合成步骤较长等。因此，POF的发展不仅需要多孔材料的研究人员对其结构和应用的不断开发，还需要具有有机化学、高分子化学、材料化学、物理化学、理论化学等领域的研究人员的积极参与，真正的实现POF材料的价值，从而改变我们的生活。
参考文献：
1. Cote, A. P.; Benin, A. I.; Ockwig, N. W.; O'Keeffe, M.; Matzger, A. J.; Yaghi, O. M. Science 2005, 310, 1166
2. Ben, T.; Ren, H.; Ma, S. Q.; Cao, D. P.; Lan, J. H.; Jing, X. F.; Wang, W. C.; Xu, J.; Deng, F.; Simmons, J. M.; Qiu, S. L.; Zhu, G. S. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 9457
3. Slater, A. G.; Cooper, A. I. Science 2015, 348, aaa8075
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