$宝丽迪(SZ300905)$
张振杰团队共价有机框架（COFs）材料研究与应用全景综述（2023-2025）
共价有机框架（COFs）作为晶态多孔聚合物的典型代表，凭借结构可调性、高比表面积及功能多样性等核心优势，在能源、环境、医药等多领域展现出颠覆性应用潜力。南开大学张振杰团队近两年来以“绿色合成-结构调控-功能应用-产业化落地”为主线，构建了覆盖基础研究与工程转化的完整体系，其成果不仅突破了COFs领域的多项技术瓶颈，更推动该材料从实验室走向工业化应用，为多孔材料学科发展提供了关键支撑。
一、核心技术突破：COFs绿色规模化合成与成型技术
传统溶剂热合成法因依赖有毒溶剂、反应条件苛刻且难以放大，长期制约COFs的实用化进程。张振杰团队创新性开发的熔融（助熔）合成法从根本上解决了这一核心难题，成为领域内的标志性技术突破。该方法以苯甲酸酐、苯甲酸等为助熔剂，在无有机溶剂的温和条件下，成功实现乙烯基、酰亚胺、席夫碱等多种键型COFs的高效制备，产物结晶性与比表面积均优于传统溶剂热法制备的材料。
团队已通过该技术实现系列COFs的低成本公斤级合成，并推动创立的耀科新材料建成全球首条COFs吨级生产线，完成从实验室合成到工业化量产的跨越，打破了国际技术垄断。更具价值的是，该合成体系支持COFs的直接成型加工，可制备成块体、多孔海绵、薄膜等实用形态，为多场景应用奠定了材料基础。相关标准化合成方案已发表于《Nature Protocols》，为技术推广提供了可复制的操作范式。
在结构精准调控层面，团队提出拓扑设计、功能基团引入及复合修饰等多元策略。通过穿插结构构建与孔径调控，制备出具有0.7 nm方孔的NKCOF-62等材料，实现对特定分子的空间匹配；通过引入氧化还原活性基团、质子传导基团及单原子活性位点，赋予COFs靶向功能特性；同时与中科院陈瑶教授等合作，系统综述单晶COFs的合成方法与表征技术，为结构解析与性能优化提供理论指导。
二、能源存储领域：高性能器件的材料创新路径
团队以COFs的电子-离子传导协同调控为核心，在电池与超级电容器领域取得多项突破性成果，为储能器件性能跃升提供新方案。
（一）电池体系：从界面调控到全有机设计
针对锂金属电池锂枝晶生长的行业痛点，团队设计了含单原子钴位点的共轭富联吡啶COF（sp²c-COF-Co），将其用作锂阳极人工固体电解质界面（SEI）。单钴原子位点提升了活性中心密度与电子转移效率，钴-氮配位与氰基的协同作用可精准调节锂离子局部配位环境，引导锂均匀成核沉积，使修饰后的锂阳极实现8 mV低成核势垒与6000 h超长循环稳定性。
在全有机质子电池领域，团队采用通量合成法制备吡嗪（2,3-g）喹诺啉核心基乙烯连接COFs，其独特化学环境赋予两步氧化还原反应特性。基于该材料的对称全有机质子电池在0.1 A g⁻¹时比容量达147 mAh g⁻¹，最大能量密度87 Wh/kg，高电流密度下循环超5000次仍保持稳定。更重要的是，通量合成实现克级量产，支撑的功能软包电池可逆容量达92 mAh g⁻¹，接近理论值，为产业化应用开辟路径。
（二）超级电容器：质子-电子双通道构建
团队开发分步合成策略，制备出高结晶性、高稳定性的NKCOF-2和NKCOF-8，其骨架集成氧化还原活性偶氮基团与质子传导基团，一维孔道结构可加速离子传输。将其与碳纳米管（CNTs）原位复合后，形成“Grotthuss质子传导-电子导电”双通道，大幅优化质子耦合电子转移动力学。基于该复合材料的三电极电容器在0.5 A/g时比电容达440 F/g，10 A/g下经10000次循环容量保持率90%；组装的非对称器件最大能量密度71 Wh/kg，最大功率密度达42 kW/kg，性能领先同类COFs基器件。
三、分离与吸附领域：从气体纯化到污染物移除
分离吸附是COFs最具应用潜力的领域之一，团队基于结构设计与成型技术优势，实现多场景下的高效分离性能突破。
（一）气体分离：精准匹配的高效纯化
针对工业级C₂气体分离需求，团队开发的NKCOF-62凭借0.7 nm方孔结构与独特孔环境，成为首个实现C₂H₂/C₂H₆/C₂H₄三元混合物一步分离的COFs材料，可高效纯化聚合级C₂H₄。酰亚胺系列COFs（NKCOF-29—36）利用羰基与乙炔的强相互作用，乙烯基NKCOF-12借助孔道调控，均在C₂H₂/CO₂分离中表现出优异选择性，为能源生产与环保领域的气体纯化提供新方案。依托吨级量产技术，这些材料已转化为通用捕集阱、氦气净化装置等工业产品。
（二）液体分离：从海水淡化到污染物治理
团队与天津大学合作开发的仿生粘合COF膜，在渗透蒸发脱盐中展现出卓越性能，处理3.5 wt%氯化钠水溶液时水通量达267 kg/(m²·h)，是传统高分子膜的4-10倍，脱盐率高达99.9%，且综合能耗更低，为海水淡化技术升级提供新思路。
在污染物移除领域，团队制备的离子型乙烯基COFs（NKCOF-41及其衍生物）可作为高效离子交换树脂，实现含氧酸根阴离子等污染物的精准移除。更在生物毒素去除领域取得进展，与天津中医药大学合作在《Chemical Society Reviews》发表封面文章，系统阐述COFs在中药/天然植物有毒成分（如马兜铃酸类）去除中的应用潜力，通过孔径匹配、氢键作用等机制实现毒性成分的选择性吸附，为药用植物安全应用提供技术支撑。此外，NKCOF-12多孔海绵在油水分离中表现出超高性能，进一步拓展了其在环境治理中的应用场景。
四、产业化转化与应用前景
张振杰团队始终坚持“基础研究-技术转化”协同发展，其创立的耀科新材料已形成成熟的产业化布局。公司依托熔融绿色合成技术，量产的COFs超级吸附剂已广泛应用于生物医药分离纯化、VOCs处理、色谱填料等领域，服务于凯莱英医药、华熙生物等知名企业，并与天津中石化渤化等达成合作意向。2024年获得苏州宝丽迪2000万投资，预计2025年营业收入达3000万元，展现出清晰的商业价值实现路径。
团队提出的六大发展愿景为领域未来指明方向：开发低能耗分离技术、构建多功能COFs体系、完善可持续量产工艺、拓展块体/薄膜应用、研发环境响应型智能材料、推动多学科交叉创新。当前需重点突破高质量薄膜稳定性调控、复杂体系动态吸附机制、生物安全性验证等关键问题，这些方向的突破将加速COFs在能源、环保、医药等战略领域的规模化应用。
五、总结
张振杰团队近两年来的研究成果构建了COFs材料从基础创新到产业应用的完整链条：以熔融合成技术突破量产瓶颈，以精准结构设计赋予靶向功能，以多场景应用验证实用价值，以成果转化实现商业落地。其工作不仅推动COFs从“实验室 curiosities”转变为“工业可用材料”，更树立了高校科研与产业化结合的典范，为我国在先进多孔材料领域的国际竞争提供了核心技术支撑。未来随着跨学科合作的深化与技术体系的完善，COFs材料有望在更多战略领域实现颠覆性应用。