Ковалентные органические каркасы (COF) — инновационные пористые материалы для производства аккумуляторов, катализа, адсорбции газов. Новый метод синтеза COF не нуждается в ядовитых растворителях и сокращает время синтеза с недель до минут.
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Американского химического общества, команда из Национального университета Сингапура разработала быстрый и экологичный метод синтеза ковалентных органических каркасов (COF) с имидными связями с помощью микроволнового воздействия в водной среде.
Этот инновационный метод значительно сокращает время синтеза и устраняет необходимость в применении токсичных органических растворителях, повышая безопасность и экологичность производства. Изобретение является важным достижением в области материаловедения.
Ковалентные органические каркасы (англ. covalent organic frameworks, COFs) — синтетический аналог природных высокопористых минералов-цеолитов. Традиционные методы сольвотермического синтеза COF требуют высоких температур, токсичных органических растворителей, герметичных, работающих под высоким давлением, реакторов и значительного времени взаимодействия исходных компонентов — от нескольких дней до нескольких недель. Новый метод с использованием микроволновой энергии позволяет синтезировать высококачественные COF с имидными связями всего за несколько минут. Это не только ускоряет процесс синтеза, но и повышает кристалличность и пористость получаемых материалов.
С помощью этого метода ученые успешно синтезировали четыре ранее описанных COF и три новых продукта. Кристаллическая структура и пористость этих COF сопоставимы с характеристиками материалов, полученных традиционными методами, или даже превосходят их. Исследование показывает, что вода играет ключевую роль в получении высококристаллических пористых продуктов, повышая скорость реакции и обеспечивая самовосстановление дефектов кристаллической структуры.
Где применяются COF
Самая перспективная область применения COF — накопители энергии, в частности они выступают в роли катодных материалов литий-ионных аккумуляторов. В ходе экспериментов был приготовлен композит из одного из синтезированных COF, NUS-63, с карбоновыми кислотами. Для максимальной функциональности материал был помещен в углеродные нанотрубки.
Композит продемонстрировал исключительные электрохимические характеристики, достигнув удельной емкости 154,0 мА*г-1 при сверхвысокой плотности тока 10 А*г-1 (при 26ۜ°С). Материал сохранил удельную емкость 128,6 мАч*г-1 после 10 000 циклов разрядки, продемонстрировав замечательную стабильность и долговечность в экстремальных условиях эксплуатации.
Метод микроволнового синтеза в водной среде имеет ряд преимуществ, в том числе более низкую себестоимость, повышенную эффективность и улучшенные свойства материала. Этот метод устраняет необходимость выбора менее токсичных растворителей и значительно сокращает время реакции, что делает его более экологичным и практичным подходом к синтезу COF.
Исследование подчеркивает потенциал микроволнового синтеза для разработки функциональных COF с имидными связями. Метод можно применять для синтеза других типов COF, применимых в адсорбции газов, каталитических процессах и хранении энергии.
Источник