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共价有机框架(covalent organic frameworks,COFs)是一类新型的有机晶态多孔材料。自从2005年Yaghi课题组首先报导了COFs材料的合成以来,因其具有较小的密度(单体分子中一般只有C、H、O、N等轻原子)、较高的结晶性、规则的孔道结构、较高的稳定性(有机小分子以共价键方式连接)等,这一领域的研究得到了人们的广泛关注。十几年来,研究者们探索了COF材料在催化、光电子学、能源转化与存储等多方面的应用。 不同于其它的多孔高分子材料,COFs通常具有较好的结晶性,因此为了最大程度的挖掘COFs材料独特的应用价值,合成具有高结晶性的COFs材料就显得尤为必要。这一部分的研究主要有两个角度。一些研究者通过分子设计和合成条件的筛选,获得了不同种类的具有高结晶性的COFs。另一些工作分别探究了硼酸酯类COFs和亚胺类COFs这两类最常见的COFs材料的成核与生长机制,从机理角度为COFs材料的合成提供了一些帮助。为了进一步理解COFs形成的过程,需要有更多的关于COFs结晶成核过程的研究。另外,如何通过调控成核和生长的过程,从而优化合成方法,得到高质量的COFs材料,同样是一个值得研究的问题。 本论文通过异相成核生长的方法,成功制备了具有高结晶性和高比表面积的COF-LZU1材料。我们首先在氨基化的氧化硅纳米球(NH2-f-SiO2)表面合成了亚胺键连的高分子薄层,并以它为异相成核的位点。这些核作为种子,与新加入的单体混合后加热一段时间即可合成NH2-f-SiO2@LZU1纳米结构。与传统的需要数天反应时间的方法相比,我们的方法只需要3小时,具有高效便捷的特点。通过考察产物的结晶性、比表面积、尺寸以及形貌与反应时间和种子浓度的关系,我们定量确定了临界种子浓度,并证明了当种子浓度高于临界值时,溶液中的单体将全部在种子表面反应,而不会自己形成新的核。亚胺类COFs的反应初期往往存在单体快速聚集生成较大尺寸的无定型高分子聚集体的现象,这一过程对于产物的结晶化非常不利。我们的实验证实,当有种子存在是,这一过程能被抑制,因此有效地促进了COFs的结晶。 为了进一步探究异相种子对COFs结晶性及形貌的调控作用,本论文还以乙酸的稀溶液作为刻蚀剂,结合异相成核生长法,证明了对于COFs材料的结晶性和形貌进行同步调控的可行性。酸能够选择性地刻蚀掉结构不稳定的区域,并产生多余的醛基和氨基。这些基团可以进一步与单体反应,生长多枝状结构,并且这些异相成核位点的存在同样能提高结晶性。 本论文的研究加深了对于COFs成核生长过程的认识,尤其是强调了异相成核位点对于抑制反应初期无定型固体的快速沉淀的作用。这些研究结果将有助于新型亚胺类COFs合成方法的开发和应用的研究。