南开大学「国家高层次青年人才」韩刚/北理冯英楠Science子刊 | 垂直共价COF层间通道实现超选择性分子分离!
- 2026-01-30 07:17:22
膜过滤技术被广泛视为一种节能平台，可用于可持续回收非常规水源，通过选择性去除目标离子和分子污染物来实现。然而，传统聚合物膜材料因孔结构不规则、无序且孔径分布宽，限制了其分离精度与效率。二维共价有机框架（2D COF）材料具有本征结晶性、有序孔道、永久孔隙率和优异化学稳定性，在膜分离中展现出卓越性能。但其结构上固有的平面内孔隙通常大于0.8 nm，限制了其对离子与小分子的选择性截留能力。
目前虽已尝试通过调节层堆叠构型或引入官能团等方式缩小孔径，但效果有限，且常伴随水传质阻力增加、膜稳定性下降及合成复杂性提高等问题。因此，如何实现COF单层的垂直排列，利用其亚4 Å层间通道作为高效筛分通道，成为该领域的重要挑战。
图1 合成方法设计理念
南开大学韩刚团队联合北京理工大学冯英楠等研究者针对二维共价有机框架膜在渗透选择性方面的长期挑战，提出一种通用且可规模化的自模板界面组装策略，用于合成垂直排列的2D COF多晶纳米薄膜。实验与分子模拟表明，由分子两亲性驱动的构筑单元在有机/水界面的自发限域与定向排列，诱导了COF单层的垂直生长。
该垂直排列COF膜的亚4 Å层间纳米通道展现出卓越的筛分能力，能高效截留盐离子、电中性小分子及有害化学物质，其性能优于传统COF膜。该策略可拓展至其他构筑单元与拓扑结构，为精确调控二维COF膜孔结构开辟了新途径。
图2 TpBD(NH₂)₂膜的超高选择性分离性能
该项研究成功提出了一种自模板界面组装策略，在液-液界面构建了具有垂直排列二维单层的COF膜。通过构筑单元的两亲结构引导其在界面处自发定向排列，形成界面分子模板，进而指导COF层在膜形成过程中垂直生长。实验表征与分子模拟全面验证了垂直层间通道的形成机制，并证明其具有超高的分子与离子筛分精度。垂直排列COF膜在高压与长期运行条件下亦表现出优异的结构与性能稳定性。该研究为理性设计与制备具有结构精确性和高效分离性能的超选择性二维COF膜提供了创新的概念框架。
Songjun Fang et al., Vertical covalent organic framework interlayer channels enable ultraselective molecular separations. Sci. Adv.11, eaeb0929(2025). DOI:10.1126/sciadv.aeb0929
