浙江大学黄宁课题组 JACS：高导电性哌嗪类共价有机框架材料的设计合成

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近期，浙江大学高分子科学与工程学系黄宁课题组报道了一种哌嗪类二维共价有机框架材料的设计和合成方法。在该项工作中作者采用八氨基酞菁镍和十六氟酞菁钴为构建单体，以三乙胺为催化剂，用溶剂热法制备了哌嗪类COF材料，并通过PXRD、SEM、EDS、HR-TEM、XPS、FT-IR和模拟计算等一系列分析表征手段，确定了所得的NiPc-NH-CoPcF₈ COF材料的组分和晶体结构。通过溶剂浸泡实验和TGA等表征手段，证实了所得的COF具有优异的化学稳定性。此外，作者采用蒸汽辅助法制备了了表面平整的NiPc-NH-CoPcF₈薄膜，其厚度可以精确控制在100~1000 nm范围内。 
图1. 哌嗪类二维COF材料的合成和相关结构表征。
通过UV、UPS、CV、KM函数和密度泛函计算对NiPc-NH-CoPcF₈薄膜的带隙进行表征，其吸收光谱的最大波长可达1500 nm，说明它是一种窄带隙材料，带隙约为0.81 eV。由于哌嗪单元易于被氧化形成阳离子自由基，因此所得COF材料具有高导电率和载流子迁移率，通过EPR测试，也证实了所制备的NiPc-NH-CoPcF₈中含有大量阳离子自由基。通过霍尔效应测得所得COF材料的导电率和载流子迁移率分别达到12.7 S m^–1和35.4 cm² V⁻¹ s⁻¹，是目前COFs材料中的最高值。此外，作者还制备了基于NiPc-NH-CoPcF₈薄膜的场效应晶体管器件，空穴迁移率达到0.13~0.34 cm² V⁻¹ s⁻¹, 开关比>10⁶，阈值电压处于−16.5 V和1.52 V之间。 
图2. 哌嗪类COF薄膜和场效应晶体管。

作者简介

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黄宁，浙江大学高分子科学与工程学系百人计划研究员。2009年本科毕业于山东大学，2015年于日本分子科学研究所取得博士学位，2015年至2019年在先后在日本北陆先端科技大学，德州农工大学和新加坡国立大学从事博士后工作，2019年6月起就职于浙江大学。主要研究新型二维有序高分子材料的结构设计合成和应用研究。在相关领域发表SCI论文40余篇，包括Nat. Rev. Mater.、JACS、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.等。

原文链接

Piperazine-Linked Covalent Organic Frameworks with High Electrical Conductivity

Yan Yue, Hanying Li, Hongzheng Chen, Ning Huang*

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c13012

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