研究人员利用气相沉积法制备共价有机骨架薄膜

莱斯大学材料科学家开发了一种快速、低成本、可扩展的方法来制造共价有机框架(COF)，这是一类结晶聚合物，其分子结构可调、表面积大和孔隙率可用于能源应用、半导体器件、传感器、过滤系统和药物输送。

“这些结构之所以如此特别，是因为它们是聚合物，但它们以有序的重复结构排列，使其成为晶体，”莱斯大学博士生杰里米·道姆 (Jeremy Daum) 说道，他是一项研究的主要作者，发表于ACS Nano< a i=4>. “这些结构看起来有点像铁丝网——它们是六角形晶格，在二维平面上重复自身，然后它们堆叠在自身之上，这就是获得分层二维材料的方式”

莱斯大学博士校友、该研究的另一位主要作者 Alec Ajnsztajn 表示，该合成技术使得利用气相沉积在创纪录的时间内生产有序的 2D 晶体 COF 成为可能。

“很多时候，当您通过溶液处理制造 COF 时，薄膜上没有对齐，”阿金斯塔因说道。 “这种合成技术使我们能够控制片材方向，确保孔对齐，如果您要创建一个膜。”

控制孔径的能力在分离器中非常有用，COF 可以用作海水淡化膜，并有可能帮助取代蒸馏等能源密集型工艺。在电子领域，COF 可用作电池隔膜和有机晶体管。

“COF 具有在各种催化过程中发挥作用的潜力——例如，您可以使用 COF 将二氧化碳分解成有用的化学物质，如乙烯和甲酸，”道姆说道。

阻碍 COF 更广泛使用的障碍之一是涉及溶液加工的生产方法更长且更难以适应工业环境。

“可能需要三到五天的反应时间才能生产出生成 COF 所需的溶液粉末，”阿金斯塔因说道。 “我们的方法要快得多。经过几个月的优化，我们成功在 20 分钟或更短的时间内制作出高质量的薄膜。”

为了确保他们的薄膜展现出正确的分子结构，Daum 和 Ajnsztajn 前往阿贡国家实验室，在那里他们使用先进光子源分析了他们的样本，连续轮班工作 71 小时。

“我们知道这是‘走’;”时间，但我们对结果非常满意，”道姆说道。 “我们必须去国家实验室，因为这项技术是衡量我们的薄膜质量并确保我们采取正确措施来优化它们的唯一方法。”

显微镜研究提供了对 COF 晶体如何生长的深入了解，并有助于表明高达 340°C (~644°F) 的温度可用于合成有机分子。

“在开展这个项目时，我们收到许多人的意见，他们认为将有机分子加热到如此高的温度温度会阻止正确的反应发生，但我们发现化学气相沉积实际上是制造有机材料的可行方法，” Ajnsztajn 说道。

为了制造 COF，Daum 和 Ajnsztajn 用废弃的实验室设备零件和其他廉价、容易获得的材料建造了一个临时反应堆。

“整个过程的组装成本非常低，”道姆说道。 “建立稳健、可扩展的生产各种 COF 薄膜的工艺有望使 COF 在催化、能量存储、膜等领域得到更好的应用。”