共价有机框架（COF）膜以其精确的拓扑结构和规则的纳米孔道，在分离领域展现出巨大的应用潜力。与传统无定形聚合物膜相比，COF膜具有规则的纳米孔道结构，在理想条件下其孔径分布较窄，能够在保持高渗透性的同时显著提升分离选择性，从而有效缓解传统膜材料面临的选择性与渗透性“权衡”难题。此外，COF膜通过强大的面内共价键和层间π-π相互作用，保证了其高稳定性和规则的孔道排列，从而支持其优异的溶剂渗透性能，特别适用于高效有机溶剂纳滤。然而，当前COF膜的实际应用仍面临显著挑战。首先，强π-π相互作用容易导致层间堆叠不均，形成晶界缺陷，从而削弱分离性能；其次，溶液中前体分子的扩散与反应速率难以精准匹配，限制了COF膜结构的精确可控性；此外，溶液中COF颗粒易发生团聚，既阻碍颗粒在基底上的均匀沉积，也影响膜的连续生长和结构完整性。这些问题显著限制了COF膜在工业分离技术中的性能优化与实际应用前景。
图灵共价有机框架纳滤膜合成制备示意图
本研究通过引入单宁酸（Tannic Acid, TA）作为异质成核剂，调控反应-扩散动力学，在均相溶液中原位合成具有独特“图灵结构”的COF膜。
2024年12月11日，该研究成果以《异相成核法制备图灵共价有机骨架复合膜合成用于有机溶剂纳滤》（Turing covalent organic framework membranes via heterogeneous nucleation synthesis for organic solvent nanofiltration）为题发表在《科学·先进性》（Science Advances）上。
具体而言，TA分子通过席夫碱反应与胺类单体形成复合前体，一方面增强了前体的反应活性，另一方面因分子体积与质量的增加而降低其扩散速率，从而调控其反应-扩散动力学条件。此外，TA的空间位阻与电荷排斥作用有效防止了溶液中COF颗粒的聚集，使其转化为均匀分散的球形颗粒。这种机制显著改善了COF晶体在基底上的均匀堆叠，最终形成条纹状或斑点状的“图灵结构”COF膜，其孔结构均匀，层间堆叠可控。本研究提出了一种全新的COF膜调控与构建方法，通过微观结构设计与宏观晶体调控的结合，优化了膜的孔结构与分离性能，为高效可持续分离技术的开发提供了重要参考。
哈工大为论文第一通讯单位，哈工大化工与化学学院博士生杨帆为论文唯一第一作者，张艳秋副教授、孙世鹏教授、邵路教授为共同通讯作者。该研究工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、哈工大0-1原创探索基金等资助。
邵路教授为国家高层次人才（特聘教授）、英国皇家化学会会士、黑龙江省杰出青年科学基金获得者、中国化工学会分子辨识分离工程专委会委员。国家重点研发国合项目负责人、国家重大研究计划（重点支持）项目负责人。任领域内国际权威期刊npj Clean Water副主编 （Nature旗下期刊）、Journal of Membrane Science, Advanced Membranes编委等职务。
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