刘云圻课题组在二维共价有机框架薄膜材料制备方面取得重要进展

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有机框架材料在能源、催化、存储等领域展示了巨大的应用前景，受到广泛关注。不同于传统的有机聚合物材料，有机框架材料不溶解、不融化，难以加工成高质量的薄膜。
　　在中国科学院先导B专项和国家自然科学基金委的大力支持下，化学研究所有机固体院重点实验室陈建毅研究员和刘云圻院士开展了二维有机框架薄膜材料的可控组装及规模化制备策略研究，并取得了系列研究进展（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 2887；Adv. Mater. 2021, 33, 2007741；Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 17440；Angew. Chem. Int. Ed. 2022,134,e202113067。

图1  (a) 化学气相诱导转化法制备PyTTA-TPA COF薄膜示意图；(b) PyTTA-TPA COF的结构示意图；(c) PyTTA-TPA COF薄膜的理论模拟和实验GIWAXS谱图；(d) PyTTA-TPA COF薄膜的TEM照片。

　　最近，该课题组科研人员提出了一种气体诱导薄膜转化方法，在化学气相沉积系统（CVD）中，通过对苯二甲醛（TPA）蒸汽与1,3,6,8-四-(对胺基苯基)-芘（PyTTA）薄膜之间的化学反应，在玻璃、硅片、铜箔以及高定向热解石墨等衬底上制备了高质量的二维PyTTA-TPA 共价有机框架（COF）薄膜。研究发现导入的气态水分子可以插入到前驱体薄膜内，弱化分子间的范德瓦尔斯相互作用，有利于前驱体分子移动、转动，从而为获得结构明确的二维共价有机框架结构提供了条件。结合掩模技术，该方法可以实现COF薄膜的图案化生长，与目前的硅加工工艺相兼容，并且该方法具有一定的普适性。该方法制备的PyTTA-TPA COF薄膜为p型半导体，电导大约为8.40 × 10–6 S/cm，组装成场效应晶体管，器件开关比为105，空穴迁移率为1.89×10–3 cm2 V–1 s–1，相对于报道的其它希夫碱结构的COF材料，提高了近三个数量级。由于该类COF薄膜具有大量的边界和氮活性位点，作为电催化析氢反应（HER）催化剂，也展现出高效的催化活性。相关工作发表在Nat. Commun. 2022, 13, 1411上，文章第一作者为博士生刘明辉，通讯作者为陈建毅研究员和刘云圻院士。


        文章来源：化学所
        刘云圻研究员，中国科学院院士，第三世界科学院院士。物理化学家，1949年2月生于江苏省靖江市。 1975年毕业于南京大学化学系，1991年在日本东京工业大学获博士学位。长期从事分子材料与器件的研究。总结发展了高性能分子材料的设计思想和提出了性能调控的新方法。证实了扩展π体系是实现高迁移率的重要途径，合成了具有优异光电性能的新型π共轭分子材料。首次提出了液态铜催化剂生长石墨烯的概念，获得了高质量单晶石墨烯；制备了第一个氮掺杂的石墨烯，实现了对石墨烯电学性能的调控；开拓了在介电层上直接生长石墨烯的新方法。揭示了界面对器件性能的影响规律，开发了新的溶液法加工技术，实现了器件的多功能化。发表SCI论文500余篇(其中130余篇发表在影响因子大于10的期刊上)，他人引用2万余次，h因子大于80，获授权中国发明专利70项，出版专著一部及19章节，在国内外学术会议上做大会/邀请报告100余次。2007，2016年获国家自然科学二等奖各一项，2017年度获北京市自然科学一等奖。2014, 2015和2016年入选汤森路透全球"高被引科学家"目录。现为科技部国家重点基础研究发展计划（973计划）重大科学前沿领域第四届专家咨询组副组长、中国化学会理事、有机固体专业委员会副主任，和担任Scientific Reports, Nanoscale, Flexible Printed Electronics等6种期刊的编委/顾问委员会成员。
       陈建毅， 1979年3月出生，中国科学院化学研究所研究员，博士生导师。研究方向：石墨烯材料与器件；有机二维原子晶体的设计与合成；有机二维电子学。