论文总字数：21547字

摘 要

共价有机框架是新兴的结晶多孔材料，其由有机构建单元和共价键构成。它通过强共价键与有机构建单元巧妙地构建。明确定义的晶体多孔结构以及定制的功能性使共价有机框架材料在各种应用中具有极大的潜力，可预先设计的多孔结构为解决能源和环境问题提供了平台。本论文系统地介绍了共价有机框架的基本设计原理，以及现在常用的一些合成方法，并介绍了在能源和环境领域的应用，例如储气，储能，光电导和催化。该论文描述了结晶多孔共价有机框架材料的设计，合成，表征和应用方面的最新发展。

关键词：共价有机框架，设计和合成，应用，种类

Abstract: Covalent organic framework is a new crystalline porous material which is composed of organic building blocks and covalent bonds. It is cleverly constructed with strong covalent bonds and organic building blocks. Clearly defined crystalline porous structures and functionality make organic framework materials have great potential for a variety of applications. Porous structures provide a platform for solving energy and environmental problems. This paper systematically introduces the basic design principle of covalent organic framework, as well as some commonly used synthesis methods, and introduces the application in the field of energy and environment, such as gas storage, energy storage, conductivity and catalysis. This paper describes recent developments in the design, synthesis, characterization and application of crystalline porous covalent organic framework materials.

Keywords: Covalent organic framework, Design and synthesis, Application, Kind

目录

1 引言 4

2 设计 4

2.1 多孔性 5

2.2 结构规律性 6

3 共价有机框架的合成 6

3.1 离子热合成 6

3.2 微波合成 7

3.3 溶剂热合成 7

4 合成共价有机框架的类型 8

4.1 含硼的共价有机框架 8

4.2 基于三嗪的共价有机框架 10

4.3 基于亚胺的共价有机框架 11

5 共价有机框架的应用 12

5.1 储气和吸附 12

5.1.1 氢储存 12

5.1.2 甲烷储存 12

5.1.3 氨储存 13

5.1.4 二氧化碳储存 13

5.2 光电应用 13

5.3 水处理 14

5.4 可充电锂离子电池 14

5.5 催化剂 15

5.5.1 光触媒催化 15

5.5.2 电催化剂 16

结 论 19

参 考 文 献 20

致谢 23

1 引言

随着能源危机和环境污染日益严重，我们期望通过太阳能电池等能源转换装置获得绿色能源和锂离子电池。在这些装置中，活性多孔材料起着重要作用。共价有机框架是新兴的结晶多孔材料。与其他多孔材料相比，共价有机框架由轻质元素(有机构建单元)组成，通过稳定的共价键连接，具有有序的π-结构，使其具有高度多孔性，具有高表面积，低密度和热稳定性和化学稳定性。因此，共价有机框架材料已经显示出更广泛的应用前景，并且已经获得了很多关注能源和环境领域，包括气体吸附方面，催化，光电子学和储能。通过共价键组装建筑单元的收敛策略长期以来一直应用于天然产物和药物的全合成。最明显的例子之一是罗宾逊全合成托品酮来自1917年的一步中的琥珀醛，甲胺和丙酮。按时间顺序，有机合成策略在构建1维无序大分子中的前所未有的应用导致了自20世纪20年代以来聚合物科学的蓬勃发展。通过小型建筑单元(例如烯烃，胺和酸)的共价聚合获得，合成的有机聚合物，例如聚乙烯，尼龙和聚苯乙烯，已经在日常生活中得到广泛应用。一个重要的发展最近是纳米多孔有机聚合物的构建，如超交联聚合物，固有微孔聚合物，共轭微孔聚合物，和在这些情况下，通过共价键构建持久性多孔结构成为高级应用的主要关注点。为此目的的关键策略是使用具有多种连接性的刚性建筑单元。除了建筑单元的基本问题和合成策略以及无定形多孔聚合物的构造外，共价有机框架材料的设计合成应同时满足结晶度和孔隙率的要求。在这方面，其他结晶多孔材料可提供信息。与这些结晶多孔固体相比，共价有机框架材料具有低密度，大表面积，可调孔径和结构，易于定制的功能性，建筑单元的通用共价组合等优点。这些优点为共价有机框架材料提供了在气体储存，吸附，光电，催化和作为功能装置的进一步应用中的高潜力。因此，该领域的快速发展引起了在材料，有机合成和各种应用领域工作的科学研究人员越来越多的兴趣这个新领域在过去十年中取得了显着进展，最近出现了对这些多孔有机聚合物的合成和应用的优秀评论。最近对多孔有机聚合物的一些评论，但到目前为止还没有全面的评论可以专门针对这个领域。因此，本论文将概述该领域的当前研究，其中包括共价有机框架材料的设计，合成，表征和应用。我们首先对合成反应和已用于共价有机框架合成的建筑单元进行调查。然后在孔隙率，结晶度和功能性方面描述设计原理。

2 设计

可以应用拓扑图来设计共价有机框架的骨架和孔，其基于建筑物单元(图1)的几何匹配以指导多边形骨架的形成。可以应用拓扑图来设计共价有机框架的骨架和孔，这是基于建筑单元的几何匹配来指导多边形骨架的形成^[1]。共价有机框架框架由两个不同的模块组成连接器(构建单元)和控制孔径的连接(在网状结构之间形成的连接之间的连接)。因此，建筑单元的合成是共价有机框架有机合成的开始，然后，基于这些建筑单元的网状结构，它们连接在一起成为一个扩展的框架^[2]。

图1 已成功用于合成共价有机框架的建筑单元

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