上海有機所在多維度共價有機框架異質結仿生催化方面取得進展
自然界中的葉片憑借“葉莖-葉肉”的多級結構，實現(xiàn)光吸收、電荷分離與快速傳質等功能協(xié)同，從而完成高效的光合作用過程，這為人工光催化劑的仿生設計提供了重要參考。目前仿生光催化劑相關研究多局限于無機或有機小分子體系，高分子體系仍受限于傳統(tǒng)聚合物的低孔隙率和多維結構難以協(xié)同構筑等問題。共價有機框架（COF）兼具大比表面積、可精確調控的物化性質和涵蓋一維（1D）、二維（2D）、三維（3D）的結構多樣性，為構筑有機多維類樹葉結構提供了理想平臺；然而，單組分COF難以同時整合“葉莖”與“葉肉”所對應的多功能單元，如何將不同維度的COF同步集成于同一材料中、實現(xiàn)結構與功能的協(xié)同增強，是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。
中國科學院上海有機化學研究所金屬有機化學全國重點實驗室趙新課題組長期致力于光功能COF材料研究，并將其用于光催化水分解制氫（Chem. Sci.2024, 15, 9669; Angew. Chem. Int. Ed.2025, 64, e202418086），光催化還原二氧化碳（Adv. Funct. Mater.2026, 36, e15586; Adv. Funct. Mater.2026,DOI: 10.1002/adfm.74967）等領域。近期，該課題組受自然界葉片多級結構的啟發(fā)，發(fā)展了一種原位“一鍋法”共組裝策略，在實現(xiàn)同一組二元單體選擇性合成1D COF和3D COF的基礎上，進一步在同一反應體系中同時生成1D COF和3D COF，得到多級整合的COF@COF維度異質結1D@3DCOF-2，并實現(xiàn)高效的光催化分解水產氫。相關成果以“One-pot synthesis of hierarchically integrated covalent organic framework heterojunctions for photocatalysis”為題，于2026年5月22日在線發(fā)表于Nature Synthesis (DOI: 10.1038/s44160-026-01077-6)。
在該材料中，一維的1DCOF-CN與三維的3DCOF-CN分別作為類似“葉莖”和“葉肉”的組分，原位形成的多維度集成結構構成S型異質結，并產生內建電場，從而強化了光生載流子的分離與遷移。其中，親水性的1DCOF-CN富含氨基和亞胺鍵，能夠有效錨定并分散Pt納米顆粒作為析氫活性位點，富集電子并促進質子還原反應；3DCOF-CN則受益于其高比表面積和互通孔道，有利于光吸收、物質傳輸和空穴消耗。得益于這種多維度集成結構的協(xié)同效應，1D@3DCOF-2在可見光照射下實現(xiàn)了45.7 mmol h-1 g-1的分解水析氫速率，為單獨3DCOF-CN的1.5倍，而1DCOF-CN本身幾乎沒有析氫活性。值得注意的是，1D@3DCOF-2在海水中可維持50.8 mmol h-1 g-1的析氫速率，在低催化劑負載量（0.2 mg）的純水體系中速率可提升至337.8 mmol h-1 g-1，展現(xiàn)出良好的應用潛力。
該研究通過一鍋法原位共組裝策略，首次實現(xiàn)了同一組二元單體體系下不同維度COF的選擇性可控構筑，并成功構筑了多級集成的COF@COF異質結構。該工作不僅發(fā)展了COF的可控合成方法，揭示了維度協(xié)同在COF光催化體系中的關鍵作用，也為基于COF的仿生異質結構設計及其在太陽能轉化等領域的應用提供了重要參考。
圖 1. 由相同單體聚合構筑1DCOF-CN、3DCOF-CN以及受葉片形態(tài)啟發(fā)的1D@3DCOF-2異質結構的示意圖。AA：抗壞血酸，OX：氧化產物。
該工作得到中國科學院、上海有機所、金屬有機化學全國重點實驗室、東南大學、上海光源等部門的大力資助和支持。
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