山西大学在高分子科学前沿共价有机框架研究领域取得重要进展

近日，山西大学化学学科李娟副教授联合新加坡国立大学战略科学家、欧洲科学院院士江东林教授，历经8年科研合作和深度交流，首次采用多重形貌表征手段以及原位光谱学手段系统性地揭示了多晶COFs（工业化应用的最常见形态）宏观形貌到微观晶格的完整结构特征，相关成果以“Polycrystalline Covalent Organic Frameworks: Multiscale Structural Insights from Morphological Diversity to Dynamic Lattice Evolution”为题目发表于美国化学会志（J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 30, 26955-269681）。

共价有机框架（COFs: Covalent Organic Frameworks）作为高分子科学领域最前沿的一类功能多孔材料，具有发达、可定义化的纳米多孔结构，近二十年来在催化、分离、能源等领域展现出巨大的应用潜力。该项工作通过多重透射电镜模式（生物型透射电镜、低电压球差透射电镜、低剂量原位球差透射电镜、低电压/低剂量扫描透射球差电镜），对一种最为经典的高稳定性二维亚胺类COFs采集数千张COFs电镜照片，统计并揭示了粉末COFs内部存在四重形态共存的本征特性，发现了COFs框架弹性特征与客体动态扩散行为间的相互关联。采用统计学手段揭示了粉晶COFs内部以通道式缺陷为主的结构特征，并采用原位粉末X射线衍射图谱验证了电镜观测结果。

这项工作建立了多晶COFs的结构演化的全链条认知：从共价键介导的纳米颗粒融合（宏观），到非晶相连接的晶域形成（介观），直至动态晶格响应（微观），揭示了键断裂导致的通道型缺陷占主导是COFs难以获得大单晶的本质原因，同时发现溶剂分子可编程调控晶格尺寸的特异现象，为未来开展COFS"结构-性能"关系研究提供了新的维度，这项工作所提出的"四形态共存"普适性模型将适用于不同拓扑结构的COFs，为推动COFs从实验室好奇走向实际应用提供了坚实的材料科学基础。

山西大学为论文第一单位，李娟副教授为论文第一作者，该工作分别得到了日本国立材料研究所、北京大学电镜中心、美国橡树岭国家重点实验室、中国科学院物理所等国内外顶级科研机构及其顶尖科学家的合作支持，项目得到国家自然科学基金、山西省科技合作项目、山西省基础研究计划、山西省留学回国人员项目以及山西大学“文瀛青年学者”项目的多重资助。这项工作为推动COFs的产业化应用提供了重要的材料科学基础。（通讯员：张颖）