近期，国际权威期刊《自然·通讯》（Nature Communications）和《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）连续刊发了化学与分子科学学院汪成教授团队在三维共价有机框架低碳烃吸附分离应用方面取得的系列进展。

以乙烯和丙烯为代表的低碳烯烃是一类重要的基础化工原料，传统采用的低温蒸馏分离纯化方法所消耗的能源占据了全球总能耗 0.3%。为有效降低分离能耗，一种可行的方案是采用非热力学驱动的多孔材料吸附分离技术，其关键核心是设计合适的多孔吸附剂。共价有机框架（COF）是一类由分子构筑基元通过共价组装形成的二维或三维晶态有机多孔材料，具有稳定性高、设计性强等特点。从结构来看，三维COF可具有分级孔道和丰富的开放位点，在低碳烃吸附分离方面极具应用潜力。然而，高结晶性三维COF合成与结构解析难度大，为定制具有优异低碳烃分离性能的三维COF，亟需建立清晰的构效关系。为此，汪成团队基于反转吸附和开孔吸附机制，分别定制合成了刚性和柔性三维COF，并研究了其低碳烃分离应用。

在刚性三维COF方面，他们通过引入吡啶功能单元，精准调控孔道环境，定制合成了一种具有反转吸附特性的高结晶性刚性三维COF（3D-TPP-COF）。研究发现，相比于同构的3D-TPB-COF-H（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 9770）， 3D-TPP-COF中的吡啶基团与乙烷分子形成额外的C-H···N相互作用，可显著提高乙烷吸附量和乙烷/乙烯吸附选择性，进而实现乙烯的高效一步提纯。此研究对开发具有特定孔道环境的三维COF并用于高效气体吸附分离提供了指导。相关成果发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上，2023届博士谢阳、中国科学院福建物质结构研究所王文经副研究员和北京大学博士研究生张泽岳为论文共同第一作者，汪成教授、中国科学院福建物质结构研究所袁大强研究员和北京大学孙俊良教授为共同通讯作者。

在柔性三维COF方面，他们对课题组前期报道的柔性框架FCOF-5（J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 2123）的气体吸附行为进行了系统探究。结果表明，FCOF-5对多种气体分子（包括二氧化碳、丙烯、丙炔等）表现出独特的“S型”吸脱附曲线，原位联用技术证明气体吸附过程中骨架的C-O单键发生旋转，从而产生开孔吸附。基于开口压力的差异，FCOF-5可实现丙烯/丙炔混合气中丙烯的高效提纯。此研究不仅表明由柔性分子前体构筑的三维COF是一类具有开孔吸附特性的新型柔性多孔晶体，还为后续设计对低碳烃具有优异吸附分离性能的柔性三维COF提供了指导。相关成果发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上，2022届博士刘晓玲和南开大学王志方博士为论文共同第一作者，汪成教授为通讯作者。

以上工作得到国家自然科学基金、湖北省自然科学基金、中央高校基本科研业务费资助及学校科研公共服务条件平台的支持。

论文1链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47377-3

论文2链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c01331

汪成课题组链接：http://chengwang.whu.edu.cn/