【HOF-102】超稳定介孔氢键有机框架基纤维复合材料用于芥子气解毒

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摘要：
本文报道了一种基于“形状匹配”堆叠策略设计和合成的超稳定介孔氢键有机框架（HOFs）。通过系统地延长π-共轭分子臂，成功避免了框架互穿或错位堆叠，实现了孔径可达3纳米的介孔HOF-102，其比表面积高达2500平方米/克，孔体积为1.3立方厘米/克，是迄今为止报道的HOFs中最大的。更重要的是，HOF-102展现出显著增强的热稳定性和化学稳定性，在强酸、强碱和PBS缓冲溶液等苛刻条件下仍能保持稳定。基于这些特性，HOF-102被成功制备成纤维复合材料，用于芥子气模拟物的光化学解毒。

研究背景：
1) 行业问题和研究现状：氢键有机框架（HOFs）是一类通过分子间氢键自组装形成的新型多孔材料，因其独特的孔隙结构和功能在气体存储、分离、催化等领域展现出巨大潜力。然而，传统HOFs存在稳定性差的问题，尤其是在水、酸、碱等苛刻环境下容易分解。此外，扩大HOFs的孔径以实现介孔结构也是当前研究的难点，因为直接延长配体往往会导致框架互穿，降低孔径。
2) 本文创新：本文提出了一种“形状匹配”的堆叠策略，通过设计具有不同形状的大块稠环芳香族环的构筑单元，实现了HOFs的孔径扩展和稳定性增强。作者合成了一系列基于芘核心的HOFs（HOF-10x，x=0,1,2），并通过实验和理论计算验证了该策略的有效性。

实验和分析：
1. 材料合成与表征：
1) 合成了1,3,6,8-四羧基芘（H4TCPy）和1,3,6,8-四(6-羧基萘-2-基)芘（H4TNAPy）等构筑单元。
2) 通过快速沉淀法合成了HOF-100、HOF-101和HOF-102微晶。
3) 使用粉末X射线衍射（PXRD）、氮气吸附-脱附等温线、热重分析（TGA）等技术对HOFs的结构和性能进行了表征。
2. 性能分析：
1) HOF-102展现出高达2500平方米/克的比表面积和1.3立方厘米/克的孔体积，显著优于其他HOFs。
2) HOF-102在200°C下处理后仍能保持87%的氮气吸附能力，而HOF-100和HOF-101的吸附能力分别下降了84%和67%。
3) HOF-102在强酸、强碱和PBS缓冲溶液等苛刻条件下均能保持稳定，而HOF-100和HOF-101在强碱条件下迅速溶解。
4) 通过密度泛函理论（DFT）计算，HOF-102的π-π堆叠能量为-207.7 kJ/mol，远高于HOF-100和HOF-101，表明其更强的堆叠稳定性。

总结：
1) 主要研究结果：成功设计并合成了一系列基于芘核心的HOFs，其中HOF-102展现出优异的热稳定性和化学稳定性，以及高达2500平方米/克的比表面积和1.3立方厘米/克的孔体积。
2) 创新突破：提出了一种“形状匹配”的堆叠策略，有效避免了框架互穿和错位堆叠，实现了孔径扩展和稳定性增强。
3) 潜在意义和引用：HOF-102的高稳定性和可加工性使其在环境治理、化学传感和光催化等领域具有广阔的应用前景。

Ultrastable Mesoporous Hydrogen-Bonded Organic Framework-Based Fiber Composites toward Mustard Gas Detoxification
文章作者：Kaikai Ma, Peng Li, John H. Xin, Yongwei Chen, Zhijie Chen, Subhadip Goswami, Xiaofeng Liu, Satoshi Kato, Haoyuan Chen, Xuan Zhang, Jiaquan Bai, Megan C. Wasson, Rodrigo R. Maldonado, Randall Q. Snurr, Omar K. Farha
DOI：10.1016/j.xcrp.2020.100024
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S266638642030014X

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