离子型iCOF中可逆剥离-聚集动力学用于可调界面催化

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摘要
兰州大学覃文武教授团队与吉林大学崔小强教授团队发表的研究Adv. Sci. 2026, DOI: 10.1002/advs.77122中，针对二维COFs界面行为通常被视为静态或不可逆的瓶颈，通过精确调控骨架与抗衡离子，构建了具有可逆动态剥离-聚集行为的离子型COF（iCOF，I-4）。该材料在水相中可实现粒径与相态的双向调控，光催化产氢速率达190 mmol g⁻¹ h⁻¹（35 °C），且可通过简单添加碘化物盐实现完全沉淀回收，形成闭环材料循环。

研究背景
1. 行业问题：
多相功能材料（催化、吸附、传质）的活性位点仅在外表面被利用，内部反应位点利用率低，严重制约性能发挥；均相体系虽位点利用率高，但难以回收。
2. 现有方案：
学者通过电化学剥离COF薄膜、利用胍基离子实现自剥离、温度调控骨架振荡等策略改善界面行为，但均缺乏可逆、动态的结构调控模型。
3. 本文创新：
提出"动态剥离-聚集"策略，通过抗衡离子组装与骨架结构协同，实现iCOF在水相中可逆的剥离与聚集，桥接均相与多相体系优势，赋予材料可逆界面适应性。

实验部分
1. iCOF合成与结构调控：
通过精确设计骨架（含吡啶乙基阳离子与三苯胺单元TBPA）及碘离子抗衡离子，合成I-4材料，实现可控剥离。
2. 动态剥离-聚集实验：
I-4在水相中可自剥离为~50 nm准均相粒子；添加NaI等碘化物盐后，材料完全沉淀聚集为可见颗粒（~4 mm），实现粒径与相态双向调控。
3. 光催化产氢实验：
I-4在35 °C可见光下光催化产氢速率达190 mmol g⁻¹ h⁻¹，远优于传统多相COF（~4 mmol g⁻¹ h⁻¹），证实剥离态准均相行为大幅提升催化效率。
4. 闭环回收实验：
通过简单添加碘化物盐即可将材料从溶液中完全沉淀回收，实现材料闭环循环利用。
实验突破： 首次实现iCOF在水相中可逆动态剥离-聚集，将产氢效率提升近50倍，并实现材料闭环回收。

分析测试
1. 形貌与粒径表征：
动态光散射与TEM证实I-4剥离后粒径约50 nm，聚集后可见颗粒约4 mm，证实双向粒径调控。
2. 结构表征：
PXRD证实剥离-聚集过程可逆，材料结晶度在循环中保持稳定；FT-IR与XPS证实骨架结构完整性。
3. 光催化性能测试：
35 °C下I-4产氢速率190 mmol g⁻¹ h⁻¹，远高于多相状态（~4 mmol g⁻¹ h⁻¹），证实准均相剥离态大幅提升界面催化效率。
4. 可逆性验证：
多次剥离-聚集循环后，材料结构与催化性能保持稳定。

机理分析
1. 作者基于弱相互作用力分析与软硬酸碱理论（HSAB），揭示了动态剥离过程的驱动力：碘离子作为抗衡离子与骨架间的弱相互作用在特定条件下被打破，导致层间剥离；添加碘化物盐后，离子间重新组装驱动聚集。
2. 抗衡离子组装与骨架结构协同作用是可逆动态行为的核心：吡啶阳离子骨架提供离子特性，碘离子的可交换性赋予材料响应性，二者协同实现可逆相态转变。

总结
1. 本文构建了具有可逆动态剥离-聚集行为的离子型COF（I-4），通过抗衡离子与骨架协同设计，实现了粒径与相态的双向调控，光催化产氢效率大幅提升至190 mmol g⁻¹ h⁻¹，并实现材料闭环回收。
2. 该工作为动态COF材料的可逆界面适应性设计开辟了新方向，在催化、离子传输与分子分离领域具有广泛应用前景。

文章标题：Reversible Exfoliation-Aggregation Dynamics in Ionic COFs for Tunable Interfacial Catalysis
作者： Jilu Yang, Xiaofei Zhang, Yue Li, Yuping Cao, Zhaowei Jia, Bo Li, Haitao Feng, Xiaoqiang Cui, Wenwu Qin
DOI：10.1002/advs.77122
文章链接：https://doi.org/10.1002/advs.77122

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兰州大学覃文武老师与吉林大学崔小强合作的Adv. Sci.文章中，构建了具有可逆动态剥离-聚集行为的离子型COF（I-4），实现粒径与相态双向调控，光催化产氢速率达190 mmol g⁻¹ h⁻¹，且可通过碘化物盐实现闭环回收。