โครงสร้างอินทรีย์แบบพันธะโควาเลนต์ ( COFs ) เป็นกลุ่มของพอลิเมอร์ที่มีรูพรุนซึ่งก่อตัวเป็นโครงสร้างสองมิติหรือสามมิติผ่านปฏิกิริยาระหว่างสารตั้งต้นอินทรีย์ ส่งผลให้เกิดพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแรง ทำให้ได้วัสดุที่มีรูพรุน เสถียร และเป็นผลึก COFs เกิดขึ้นเป็นสาขาหนึ่งจากขอบเขตที่กว้างขวางของวัสดุอินทรีย์ เนื่องจากนักวิจัยได้ปรับปรุงทั้งการควบคุมการสังเคราะห์และการเลือกสารตั้งต้น^{[ 1 ]}การปรับปรุงเคมีเชิงการประสานงานเหล่านี้ทำให้วัสดุอินทรีย์ที่ไม่มีรูพรุนและอสัณฐาน เช่นพอลิเมอร์ อินทรีย์ สามารถพัฒนาไปสู่การสร้างวัสดุที่มีรูพรุนและเป็นผลึกที่มีโครงสร้างแข็งแรง ซึ่งให้ความเสถียรของวัสดุที่ยอดเยี่ยมในตัวทำละลายและสภาวะที่หลากหลาย^{[ 1 ] [ 2 ]}ด้วยการพัฒนาเคมีเชิงโครงข่าย ทำให้สามารถควบคุมการสังเคราะห์ได้อย่างแม่นยำ และส่งผลให้เกิดโครงสร้างนาโนที่มีรูพรุนเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบ มีการวางแนวโครงสร้างและคุณสมบัติที่ต้องการสูง ซึ่งสามารถเสริมและขยายผลร่วมกันได้^{[ 3 ]}ด้วยการเลือกหน่วยอาคารรอง (SBU) หรือสารตั้งต้นของ COF อย่างรอบคอบ โครงสร้างสุดท้ายสามารถกำหนดล่วงหน้าและปรับเปลี่ยนได้ด้วยการควบคุมที่ยอดเยี่ยม ทำให้สามารถปรับแต่งคุณสมบัติที่เกิดขึ้นใหม่ได้อย่างละเอียด^{[ 4 ]}ระดับการควบคุมนี้อำนวยความสะดวกในการออกแบบ สังเคราะห์ และใช้งานวัสดุ COF ในการใช้งานต่างๆ ซึ่งหลายครั้งมีประสิทธิภาพในระดับเดียวกันหรือสูงกว่าวิธีการที่ทันสมัยในปัจจุบัน COF จัดเป็นวัสดุแบบตาข่ายนอกจากนี้ ความพรุนที่ปรับได้และพื้นที่ผิวสูงทำให้ COF น่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานในการจัดเก็บก๊าซ^{[ 5 ]}การเร่งปฏิกิริยา การตรวจจับ^{[ 6 ]}และเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับพลังงาน

ขณะที่อยู่ที่มหาวิทยาลัยมิชิแกน Omar M. Yaghi (ปัจจุบันอยู่ที่UC Berkeley ) และ Adrien P Cote ได้ตีพิมพ์บทความแรกเกี่ยวกับ COF ในปี 2548 โดยรายงานชุดของ COF แบบ 2 มิติ^{[ 7 ]}พวกเขารายงานการออกแบบและการสังเคราะห์ COF ที่ประสบความสำเร็จโดยปฏิกิริยาควบแน่นของกรดฟีนิลไดโบโรนิก (C ₆ H ₄ [B(OH) ₂ ] ₂ ) และเฮกซาไฮดรอกซีไตรฟีนิ ลีน (C ₁₈ H ₆ (OH) _{6 ) การศึกษาการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ของผงของผลิตภัณฑ์ที่เป็นผลึกสูงที่มี} สูตรเชิงประจักษ์ (C ₃ H ₂ BO) ₆ ·(C ₉ H ₁₂ ) ₁ (COF-1) และ C ₉ H ₄ BO ₂ (COF-5) เผยให้เห็นชั้นกราไฟต์พรุนแบบขยาย 2 มิติที่มีโครงสร้างแบบสลับ (COF-1) หรือโครงสร้างแบบซ้อนทับ (COF-5) โครงสร้างผลึกของพวกมันยึดติดกันอย่างสมบูรณ์ด้วยพันธะที่แข็งแรงระหว่างอะตอม B, C และ O เพื่อสร้างโครงสร้างพรุนที่แข็งแรงโดยมีขนาดรูพรุนตั้งแต่ 7 ถึง 27 อังสตรอม COF-1 และ COF-5 แสดงให้เห็นถึงความเสถียรทางความร้อนสูง (ที่อุณหภูมิสูงถึง 500 ถึง 600 °C) ความพรุนถาวร และพื้นที่ผิวสูง (711 และ 1590 ตารางเมตรต่อกรัม ตามลำดับ) ^{[ 7 ]}

การสังเคราะห์ COF แบบ 3 มิติถูกขัดขวางด้วยความท้าทายในทางปฏิบัติและเชิงแนวคิดมายาวนาน จนกระทั่งประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรกในปี 2550 โดย Omar M. Yaghi และเพื่อนร่วมงาน ซึ่งได้รับรางวัล Newcomb Cleveland Prize [ ^{8 ] ทีม}วิจัยได้สังเคราะห์และออกแบบ COF แบบ 3 มิติเป็นครั้งแรก ได้แก่ COF-103 และ COF-108 ซึ่งช่วยเปิดทางให้กับสาขาใหม่นี้ ต่างจากระบบ 0 มิติและ 1 มิติซึ่งละลายได้ ความไม่ละลายของโครงสร้าง 2 มิติและ 3 มิติทำให้ไม่สามารถใช้การสังเคราะห์แบบทีละขั้นตอนได้ ทำให้การแยกออกมาในรูปผลึกทำได้ยากมาก อย่างไรก็ตาม ความท้าทายแรกนี้ได้รับการแก้ไขโดยการเลือกบล็อกโครงสร้างอย่างรอบคอบและใช้ปฏิกิริยาการควบแน่นแบบย้อนกลับได้เพื่อทำให้ COF ตกผลึก

ของแข็ง ผลึกพรุนประกอบด้วยหน่วยโครงสร้างรอง (SBU) ซึ่งประกอบกันเป็นโครงสร้างพรุนเป็นระยะๆ สามารถสร้างโครงสร้างได้เกือบไม่จำกัดจำนวนผ่านการรวมกันของ SBU ต่างๆ ซึ่งนำไปสู่คุณสมบัติของวัสดุที่เป็นเอกลักษณ์สำหรับการใช้งานในการแยก การจัดเก็บ และการเร่งปฏิกิริยาแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกัน^{[ 9 ]}

ประเภทของของแข็งผลึกที่มีรูพรุน ได้แก่ซีโอไลต์โครงสร้างโลหะอินทรีย์ ( MOF) และโครงสร้างอินทรีย์แบบพันธะโควาเลนต์ (COF) ซีโอไลต์เป็น แร่ซิลิเก ตอะลูมิเนียม ที่มีรูพรุนขนาดเล็ก ซึ่งมักใช้เป็นสารดูดซับเชิงพาณิชย์ MOF เป็นวัสดุพอลิเมอร์ที่มีรูพรุนประเภทหนึ่ง ซึ่งประกอบด้วยไอออนโลหะที่เชื่อมต่อกันด้วยลิแกนด์ เชื่อมโยงอินทรีย์ และเป็นการพัฒนาใหม่บนอินเทอร์เฟซระหว่างเคมีเชิงการประสานงาน ระดับโมเลกุล และวิทยาศาสตร์วัสดุ^{[ 10 ]}

COF เป็นวัสดุพอลิเมอร์พรุนอีกประเภทหนึ่ง ซึ่งประกอบด้วยพันธะโควาเลนต์ที่เป็นผลึกพรุนที่มักมีโครงสร้างแข็ง มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ยอดเยี่ยม (ที่อุณหภูมิสูงถึง 600 °C) มีเสถียรภาพในน้ำและมีความหนาแน่นต่ำ พวกมันแสดงให้เห็นถึงความพรุนถาวรที่มีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงกว่าซีโอไลต์และซิลิเกตพรุนที่เป็นที่รู้จักกันดี^{[ 7 ]}

คำว่า 'หน่วยอาคารรอง' ถูกใช้มาระยะหนึ่งเพื่ออธิบายชิ้นส่วนเชิงแนวคิดที่สามารถเปรียบเทียบได้กับอิฐที่ใช้สร้างบ้านซีโอไลต์ในบริบทของหน้านี้ หมายถึงรูปทรงเรขาคณิตของหน่วยที่กำหนดโดยจุดขยาย^{[ 11 ]}

การสังเคราะห์แบบตาข่ายช่วยให้การสังเคราะห์ วัสดุโครงสร้างจากล่างขึ้นบนทำได้ง่าย เพื่อแนะนำการเปลี่ยนแปลงที่แม่นยำในองค์ประกอบทางเคมี ส่งผลให้คุณสมบัติของโครงสร้างสามารถปรับแต่งได้อย่างแม่นยำ ^{[ 4 ] [ 12 ] [ 13 ]}ด้วยวิธีการแบบจากล่างขึ้นบนวัสดุจะถูกสร้างขึ้นจากส่วนประกอบอะตอมหรือโมเลกุลโดยวิธีการสังเคราะห์ ซึ่งแตกต่างจากวิธีการแบบจากบนลงล่างที่สร้างวัสดุจากวัสดุจำนวนมากผ่านวิธีการต่างๆ เช่น การลอก การพิมพ์หิน หรือการดัดแปลงหลังการสังเคราะห์ในรูปแบบอื่นๆ^{[ 3 ] [ 14 ]}วิธีการแบบจากล่างขึ้นบนมีข้อได้เปรียบอย่างยิ่งสำหรับวัสดุเช่น COF เนื่องจากวิธีการสังเคราะห์ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ได้โครงสร้างที่ขยายออกไปและมีการเชื่อมโยงกันสูง ซึ่งสามารถปรับแต่งได้อย่างแม่นยำในระดับนาโน^{[ 3 ] [ 15 ] [ 16 ]}หลักการทางเรขาคณิตและมิติจะควบคุมโทโพโลยีของโครงสร้างที่เกิดขึ้นเมื่อ SBU รวมกันเพื่อสร้างโครงสร้างที่กำหนดไว้ล่วงหน้า^{[ 17 ] [ 18 ]}ระดับการควบคุมการสังเคราะห์นี้ยังถูกเรียกว่า " วิศวกรรมโมเลกุล " โดยยึดตามแนวคิดที่ Arthur R. von Hippel เรียกในปี 1956 ^{[ 19 ]}

จากเอกสารทางวิชาการได้มีการระบุไว้แล้วว่า เมื่อรวมเข้ากับโครงสร้างไอโซเรติคูลาร์ เช่น COF คุณสมบัติของสารประกอบโมโนเมอร์สามารถเสริมฤทธิ์และขยายผลได้อย่างมีประสิทธิภาพ^{[ 3 ]}วัสดุ COF มีความสามารถพิเศษในการสังเคราะห์เรติคูลาร์แบบจากล่างขึ้นบนเพื่อให้ได้โครงสร้างที่แข็งแรงและปรับแต่งได้ ซึ่งช่วยเสริมฤทธิ์คุณสมบัติของสารตั้งต้น ส่งผลให้มีข้อดีหลายประการในแง่ของประสิทธิภาพที่ดีขึ้นในการใช้งานต่างๆ ดังนั้น วัสดุ COF จึงมีความยืดหยุ่นสูงและปรับแต่งได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการเปลี่ยนแปลงเอกลักษณ์ ความยาว และฟังก์ชันการทำงานของ SBU ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติที่ต้องการในระดับโครงสร้าง ด้วยเหตุนี้ จึงมีความสามารถในการนำฟังก์ชันการทำงานที่หลากหลายเข้าสู่โครงสร้างโดยตรง เพื่อให้สามารถใช้งานฟังก์ชันต่างๆ ได้หลากหลาย ซึ่งจะเป็นเรื่องยากหรือเป็นไปไม่ได้เลยหากใช้วิธีการแบบจากบนลงล่าง เช่น วิธีการพิมพ์หินหรือการผลิตนาโนด้วยสารเคมี ด้วยการสังเคราะห์แบบโครงข่าย ทำให้สามารถออกแบบโครงสร้างระดับโมเลกุลของวัสดุแบบโมดูลาร์ที่มีโครงสร้างพรุนสูง ซึ่งแสดงคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ ทางแสง และทางแม่เหล็กที่เป็นเอกลักษณ์ ในขณะเดียวกันก็สามารถผสานรวมฟังก์ชันการทำงานที่ต้องการเข้ากับโครงสร้าง COF ได้

การสังเคราะห์แบบร่างแหแตกต่างจากการสังเคราะห์ย้อนกลับของสารประกอบอินทรีย์ เนื่องจากความสมบูรณ์ของโครงสร้างและความแข็งแกร่งของหน่วยสร้างในการสังเคราะห์แบบร่างแหยังคงไม่เปลี่ยนแปลงตลอดกระบวนการสร้าง ซึ่งเป็นแง่มุมที่สำคัญที่อาจช่วยให้ตระหนักถึงประโยชน์ของการออกแบบในกรอบของแข็งผลึกได้อย่างเต็มที่ ในทำนองเดียวกัน การสังเคราะห์แบบร่างแหควรแตกต่างจากการประกอบระดับเหนือโมเลกุล เนื่องจากในกรณีแรก หน่วยสร้างจะเชื่อมโยงกันด้วยพันธะที่แข็งแรงตลอดทั้งผลึก^{[ 11 ]}

การสังเคราะห์แบบร่างแหถูกใช้โดย Yaghi และเพื่อนร่วมงานในปี 2005 เพื่อสร้าง COF สองชนิดแรกที่รายงานในวรรณกรรม ได้แก่ COF-1 โดยใช้ปฏิกิริยาการกำจัดน้ำของกรดเบนซีนไดโบโรนิก (BDBA) และ COF-5 ผ่านปฏิกิริยาการควบแน่นระหว่างเฮกซาไฮดรอกซีไตรฟีนิลีน (HHTP) และ BDBA ^{[ 20 ]}โครงสร้างเฟรมเวิร์กเหล่านี้เชื่อมต่อกันผ่านการสร้างพันธะโบรอ็อกซีนและโบโรเนตตามลำดับ โดยใช้วิธีการสังเคราะห์แบบโซลโวเทอร์ มอล ^{[ 20 ]}

นับตั้งแต่ผลงานชิ้นสำคัญของ Yaghi และเพื่อนร่วมงานในปี 2548 การสังเคราะห์ COF ได้ขยายขอบเขตไปรวมถึงการเชื่อมต่ออินทรีย์ที่หลากหลาย เช่น การเชื่อมต่อที่มีโบรอน ไนโตรเจน และอะตอมอื่นๆ^{[ 2 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}การเชื่อมต่อในรูปที่แสดงนั้นไม่ครอบคลุมทั้งหมด เนื่องจากมีการเชื่อมต่อ COF อื่นๆ อยู่ในเอกสาร โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการสร้าง COF แบบ 3 มิติ

เส้นทางการสังเคราะห์ COF ที่ได้รับความนิยมมากที่สุดคือ ปฏิกิริยา ควบแน่น ของโบรอน ซึ่งเป็นปฏิกิริยาการกำจัดน้ำระดับโมเลกุลระหว่างกรดบอโรนิก ในกรณีของ COF-1 โมเลกุล กรดบอโรนิกสามโมเลกุลจะรวมกันเพื่อสร้างวงแหวน B3O3 ₍บอรอคซีน₎หกเหลี่ยมระนาบพร้อมกับการกำจัดโมเลกุลน้ำสามโมเลกุล^{[ 7 ]}

เฟรมเวิร์กพอลิเมอร์ประสิทธิภาพสูงอีกประเภทหนึ่งที่มีรูพรุนสม่ำเสมอและพื้นที่ผิวสูงนั้นมีพื้นฐานมาจาก วัสดุ ไตรอะซีนซึ่งสามารถทำได้โดย ปฏิกิริยาไตรเม อไรเซชัน แบบไดนามิกของไนไตรล์อะ โรมาติกที่เรียบง่าย ราคาถูก และมีอยู่มากมาย ภายใต้สภาวะไอโอโนเทอร์มอล ( ซิงค์คลอไรด์หลอมเหลวที่อุณหภูมิสูง (400 °C)) CTF-1 เป็นตัวอย่างที่ดีของเคมีนี้^{[ 24 ]}

ปฏิกิริยาการควบแน่นของอิมิน ซึ่งกำจัดน้ำ (ตัวอย่างเช่น การทำปฏิกิริยาของอะนิลีนกับเบนซาลดีไฮด์โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นกรด) สามารถใช้เป็นเส้นทางการสังเคราะห์เพื่อสร้าง COF ประเภทใหม่ได้ COF 3 มิติที่เรียกว่า COF-300 ^{[ 25 ]}และ COF 2 มิติที่ชื่อ TpOMe-DAQ ^{[ 26 ]}เป็นตัวอย่างที่ดีของเคมีนี้ เมื่อใช้1,3,5-triformylphloroglucinol (TFP) เป็นหนึ่งใน SBU จะเกิดการทอโทเมอไรเซชันเสริมสองแบบ (จาก อีโนลเป็นคีโตและจากอิมินเป็นอีนามีน ) ซึ่งส่งผลให้เกิดหมู่ β-คีโตอีนามีน^{[ 27 ]} ดังที่แสดงใน โครงสร้างDAAQ-TFP ^{[ 28 ]} COF ทั้ง DAAQ-TFP และ TpOMe-DAQ มีเสถียรภาพในสภาวะน้ำที่เป็นกรดและมี ตัวเชื่อม รีดอกซ์แอคทีฟ 2,6-ไดอะมิโนแอนโทรควิโนน ซึ่งทำให้วัสดุเหล่านี้สามารถเก็บและปล่อยอิเล็กตรอนได้อย่างย้อนกลับภายในช่วงศักย์เฉพาะ^{[ 26 ] [ 28 ]}ด้วยเหตุนี้ COF ทั้งสองชนิดนี้จึงได้รับการศึกษาในฐานะวัสดุอิเล็กโทรดสำหรับการใช้งานในซูเปอร์คาปาซิเตอร์^{[ 26 ] [ 28 ]}

วิธีการโซลโวเทอร์มอลเป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไปในเอกสารทางวิชาการ แต่โดยทั่วไปแล้วต้องใช้เวลาปฏิกิริยานานเนื่องจาก SBU อินทรีย์ไม่ละลายในตัวกลางที่ไม่ใช่อินทรีย์ และต้องใช้เวลาเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ COF ที่มีคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์^{[ 29 ]}

การควบคุมรูปร่างในระดับนาโนยังคงมีข้อจำกัด เนื่องจาก COF ขาดการควบคุมการสังเคราะห์ในมิติที่สูงขึ้นเนื่องจากขาดเคมีแบบไดนามิกในระหว่างการสังเคราะห์ จนถึงปัจจุบัน นักวิจัยได้พยายามสร้างการควบคุมที่ดีขึ้นผ่านวิธีการสังเคราะห์ที่แตกต่างกัน เช่น การสังเคราะห์แบบโซลโวเทอร์มอล การสังเคราะห์แบบช่วยด้วยอินเตอร์เฟซ การใช้แม่แบบของแข็ง รวมถึงการเติบโตแบบมีเมล็ด^{[ 30 ] [ 31 ]}ขั้นแรก สารตั้งต้นตัวหนึ่งจะถูกวางลงบนตัวรองรับของแข็ง ตามด้วยการนำสารตั้งต้นตัวที่สองในรูปของไอระเหย ซึ่งส่งผลให้เกิดการวาง COF เป็นฟิล์มบางๆบนตัวรองรับของแข็ง^{[ 32 ]}

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของ COF คือความพรุนที่ยอดเยี่ยมซึ่งเป็นผลมาจากการแทนที่ SBU ที่คล้ายคลึงกันที่มีขนาดแตกต่างกัน ขนาดรูพรุนมีตั้งแต่ 7-23 Å และมีรูปร่างและมิติที่หลากหลายซึ่งยังคงเสถียรในระหว่างการระบายตัวทำละลาย^{[ 16 ]}โครงสร้างโครงร่างที่แข็งแรงของโครงสร้าง COF ช่วยให้วัสดุสามารถระบายตัวทำละลายออกไปได้โดยยังคงรักษาสภาพโครงสร้างไว้ ส่งผลให้มีพื้นที่ผิวสูงดังที่เห็นได้จากการวิเคราะห์ Brunauer–Emmett–Teller [ ^{33 ] อัตราส่วน}พื้นที่ผิวต่อปริมาตรที่สูงและความเสถียรที่น่าทึ่งนี้ทำให้โครงสร้าง COF สามารถใช้เป็นวัสดุที่ยอดเยี่ยมสำหรับการจัดเก็บและการแยกก๊าซได้

มีการสังเคราะห์ผลึกเดี่ยว COF หลายชนิดจนถึงปัจจุบัน^{[ 34 ]}มีเทคนิคหลากหลายที่ใช้ในการปรับปรุงความเป็นผลึกของ COF การใช้ตัวปรับแต่ง ซึ่งเป็นสารตั้งต้นแบบโมโนฟังก์ชัน ทำหน้าที่ชะลอการก่อตัวของ COF เพื่อให้เกิดความสมดุลที่ดีขึ้นระหว่างการควบคุมจลนศาสตร์และอุณหพลศาสตร์ ซึ่งจะช่วยให้เกิดการเติบโตของผลึก วิธีนี้ถูกนำมาใช้โดย Yaghi และเพื่อนร่วมงานสำหรับ COF ที่มีฐานเป็นอิมินแบบ 3 มิติ (COF-300, COF 303, LZU-79 และ LZU-111) ^{[ 34 ]}อย่างไรก็ตาม COF ส่วนใหญ่ไม่สามารถตกผลึกเป็นผลึกเดี่ยวได้ แต่กลับเป็นผงที่ไม่ละลายน้ำ การปรับปรุงความเป็นผลึกของวัสดุผลึกหลายเหลี่ยมเหล่านี้สามารถทำได้โดยการปรับความสามารถในการย้อนกลับของการก่อตัวของพันธะ เพื่อให้สามารถแก้ไขการเติบโตของอนุภาคและการซ่อมแซมข้อบกพร่องที่เกิดขึ้นระหว่างการก่อตัวของ COF ได้ด้วยตนเอง^{[ 35 ]}

การรวม SBU เข้ากับโครงสร้างโคเวเลนต์ส่งผลให้เกิดการนำไฟฟ้าแบบเสริมฤทธิ์กันซึ่งมีค่ามากกว่าค่าของโมโนเมอร์มาก ลักษณะของ SBU สามารถปรับปรุงการนำไฟฟ้าได้ การใช้ตัวเชื่อมที่มีการเชื่อมต่อสูงตลอดโครงสร้าง COF ทำให้สามารถออกแบบวัสดุให้มีการเชื่อมต่ออย่างสมบูรณ์ ส่งผลให้มี ความหนาแน่น ของตัวนำประจุ สูง รวมถึงการขนส่งประจุทั้งในระนาบและผ่านระนาบ ตัวอย่างเช่นMiricaและคณะได้สังเคราะห์วัสดุ COF (NiPc-Pyr COF) จากนิกเกิลฟทาโลไซยานีน (NiPc) และตัวเชื่อมอินทรีย์ไพรีน ซึ่งมีค่าการนำไฟฟ้า 2.51 × 10 ⁻³ S/m ซึ่งมากกว่า NiPc โมเลกุลที่ไม่เจือปนหลายอันดับ 10 ⁻¹¹ S/m ^{[ 36 ]}โครงสร้าง COF ที่คล้ายกันที่สร้างโดย Jiang และคณะ CoPc-Pyr COF แสดงค่าการนำไฟฟ้า 3.69 × 10 ⁻³ S/m ^{[ 37 ]}ใน COF ทั้งสองที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ แลตติส 2 มิติช่วยให้เกิดการเชื่อมต่อ π อย่างสมบูรณ์ในทิศทาง x และ y รวมถึงการนำไฟฟ้า π ตามแกน z เนื่องจากโครงสร้างอะโรมาติกที่เชื่อมต่ออย่างสมบูรณ์และการเรียงซ้อน π-πตามลำดับ^{[ 36 ] [ 37 ]}การนำไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในโครงสร้าง COF มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน เช่น การเร่งปฏิกิริยาและการจัดเก็บพลังงาน ซึ่งจำเป็นต้องมีการขนส่งประจุที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพเพื่อประสิทธิภาพสูงสุด

มีวิธีการกำหนดลักษณะเฉพาะของวัสดุ COF อยู่หลากหลายวิธี มีการสังเคราะห์ผลึกเดี่ยว COF หลายชนิดจนถึงปัจจุบัน สำหรับวัสดุที่มีผลึกสูงเหล่านี้การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) เป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพที่สามารถกำหนดโครงสร้างผลึกของ COF ได้^{[ 38 ]}วัสดุ COF ส่วนใหญ่ประสบปัญหาผลึกลดลง ดังนั้นจึง ใช้ การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์แบบผง (PXRD) ร่วมกับแบบจำลองการบรรจุผงจำลอง PXRD สามารถกำหนดโครงสร้างผลึก ของ COF ได้

เพื่อตรวจสอบและวิเคราะห์การก่อตัวของพันธะ COF สามารถใช้เทคนิคต่างๆ ได้ เช่น สเปกโทร สโกปีอินฟราเรด (IR) และ สเปกโทรสโก ปีนิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์ (NMR) ^{[ 38 ]}สเปกตรัม IR ของสารตั้งต้นและ COF ช่วยให้สามารถเปรียบเทียบยอดการสั่นสะเทือนเพื่อตรวจสอบว่าพันธะสำคัญบางอย่างที่มีอยู่ในพันธะ COF ปรากฏขึ้นและยอดของหมู่ฟังก์ชันของสารตั้งต้นหายไป นอกจากนี้NMR ในสถานะของแข็งยังช่วยให้สามารถตรวจสอบการก่อตัวของพันธะได้เช่นกัน และเหมาะสำหรับวัสดุขนาดใหญ่ที่ไม่ละลายน้ำ เช่น COF การศึกษา การดูด ซับ และการคายประจุของก๊าซจะวัดปริมาณความพรุนของวัสดุโดยการคำนวณพื้นที่ผิว Brunauer–Emmett–Teller (BET) และเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนจากไอโซเทอร์มการดูดซับก๊าซ^{[ 38 ]}เทคนิคการถ่ายภาพอิเล็กตรอน เช่นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) สามารถแยกแยะโครงสร้างพื้นผิวและสัณฐานวิทยา และข้อมูลโครงสร้างจุลภาคได้ตามลำดับ^{[ 38 ]}กล้องจุลทรรศน์แบบสแกนอุโมงค์ (STM) และกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) ยังถูกนำมาใช้เพื่อระบุลักษณะข้อมูลโครงสร้างจุลภาคของ COF อีกด้วย^{[ 38 ]}นอกจากนี้ วิธีการต่างๆ เช่นสเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนเอ็กซ์เรย์ (XPS) สเปกโทรเมตรีมวลพลาสมาแบบเหนี่ยวนำ (ICP-MS) และการวิเคราะห์การเผาไหม้สามารถนำมาใช้เพื่อระบุองค์ประกอบและอัตราส่วนของธาตุได้^{[ 38 ]}

เนื่องจาก COF มีรูพรุนสูงเป็นพิเศษ จึงมีการนำไปใช้กันอย่างแพร่หลายในการจัดเก็บและแยกก๊าซต่างๆ เช่น ไฮโดรเจน มีเทน เป็นต้น

Omar M. Yaghiและ William A. Goddard III รายงานว่า COF เป็น วัสดุ กักเก็บไฮโดรเจน ที่ยอดเยี่ยม พวกเขาทำนายว่าการดูดซับ H2 ส่วนเกินสูงสุด_ที่ 77 K คือ 10.0 wt% ที่ 80 บาร์สำหรับ COF-105 และ 10.0 wt% ที่ 100 บาร์สำหรับ COF-108 ซึ่งมีพื้นที่ผิวและปริมาตรอิสระสูงกว่า โดยใช้การจำลองแบบ Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) เป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิและความดัน นี่คือค่าสูงสุดที่รายงานสำหรับการกักเก็บ H2 แบบเชื่อมโยง_ของวัสดุใดๆ ดังนั้น 3D COF จึงเป็นตัวเลือกใหม่ที่น่าสนใจที่สุดในการค้นหาวัสดุกักเก็บ_{H2 ที่ใช้งานได้จริง} ^{[ 39 ]}ในปี 2012 ห้องปฏิบัติการของ William A. Goddard III รายงานการดูดซับสำหรับ COF102, COF103 และ COF202 ที่ 298 K และพวกเขายังเสนอกลยุทธ์ใหม่เพื่อให้ได้ปฏิสัมพันธ์กับ H2 ที่_สูงขึ้น กลยุทธ์ดังกล่าวประกอบด้วยการเติมโลหะลงใน COF ด้วยโลหะอัลคาไล เช่น Li ^{[ 40 ]}สารประกอบเชิงซ้อนเหล่านี้ซึ่งประกอบด้วย Li, Na และ K ที่มีลิแกนด์เบนซีน (เช่น 1,3,5-เบนซีนไตรเบนโซเอต ซึ่งเป็นลิแกนด์ที่ใช้ใน MOF-177) ได้รับการสังเคราะห์โดย Krieck et al. ^{[ 41 ]}และ Goddard แสดงให้เห็นว่าTHFมีความสำคัญต่อความเสถียรของสารประกอบเชิงซ้อนเหล่านี้ หากการเติมโลหะด้วยโลหะอัลคาไลเกิดขึ้นใน COF นั้น Goddard et al. คำนวณว่า COF บางชนิดสามารถบรรลุเป้าหมายน้ำหนักตาม DOE ปี 2010 ในหน่วยการส่งมอบที่ 298 K ที่ 4.5 wt% ได้แก่ COF102-Li (5.16 wt%), COF103-Li (4.75 wt%), COF102-Na (4.75 wt%) และ COF103-Na (4.72 wt%) นอกจากนี้ COF ยังมีประสิทธิภาพดีกว่า MOF ในหน่วยการส่งมอบ เนื่องจากประสิทธิภาพเชิงปริมาตรที่ดีที่สุดคือ COF102-Na (24.9), COF102-Li (23.8), COF103-Na (22.8) และ COF103-Li (21.7) โดยทั้งหมดใช้หน่วยการส่งมอบ g H ₂ /L สำหรับความดัน 1–100 บาร์ นี่คือปริมาณการดูดซับไฮโดรเจนโมเลกุลเชิงน้ำหนักสูงสุดสำหรับวัสดุที่มีรูพรุนภายใต้สภาวะทางอุณหพลศาสตร์เหล่านี้

Omar M. Yaghiและ William A. Goddard III รายงานว่า COF เป็นวัสดุกักเก็บมีเทนที่มีประสิทธิภาพสูง COF ที่ดีที่สุดในแง่ของปริมาตร CH₄ รวม_ต่อหน่วยปริมาตรของสารดูดซับ COF คือ COF-1 ซึ่งสามารถกักเก็บได้ 195 v/v ที่อุณหภูมิ 298 K และความดัน 30 บาร์ ซึ่งเกินเป้าหมายของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ สำหรับการกักเก็บ CH₄ _ที่ 180 v/v ที่อุณหภูมิ 298 K และความดัน 35 บาร์ ส่วน COF ที่ดีที่สุดในแง่ของปริมาณการปลดปล่อย (ปริมาตรที่ดูดซับได้ตั้งแต่ 5 ถึง 100 บาร์) คือ COF-102 และ COF-103 โดยมีค่า 230 และ 234 v(STP: 298 K, 1.01 บาร์)/v ตามลำดับ ทำให้วัสดุเหล่านี้มีศักยภาพสูงสำหรับการกักเก็บมีเทนในทางปฏิบัติ เมื่อไม่นานมานี้ ห้องปฏิบัติการของ William A. Goddard III ได้ออกแบบ COF ใหม่ที่มีปริมาณการปลดปล่อยที่ดีกว่า และแสดงให้เห็นว่ามีความเสถียรและสามารถบรรลุเป้าหมายของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ในแง่ของปริมาณการปลดปล่อยได้ พบว่า COF-103-Eth-trans และ COF-102-Ant มีประสิทธิภาพในการกักเก็บมีเทนสูงกว่าเป้าหมายของ DOE ที่ 180 v(STP)/v ที่ความดัน 35 บาร์ โดยรายงานว่าการใช้กลุ่มเชื่อมต่อไวนิลที่บางช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยลดปฏิสัมพันธ์ระหว่างมีเทนกับ COF ที่ความดันต่ำ

นอกจากการจัดเก็บแล้ว วัสดุ COF ยังมีความโดดเด่นในการแยกก๊าซอีกด้วย ตัวอย่างเช่น COF เช่น COF LZU1 ที่เชื่อมต่อด้วยอิมิน และ COF ACOF-1 ที่เชื่อมต่อด้วยอะซีน ถูกนำมาใช้เป็นเมมเบรนสองชั้นสำหรับการแยกสารผสมต่อไปนี้อย่างเลือกสรร: H₂ _/ CO₂ _, H₂ _/ N₂ _และ H₂ _/ CH₄ _[ ⁴² ] ^COFมีประสิทธิภาพเหนือกว่าตะแกรงโมเลกุลเนื่องจากโครงสร้างมีเสถียรภาพทางความร้อนและการใช้งาน^{[ 42 ]}นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นว่า COF ทำหน้าที่เป็นสารดูดซับโดยธรรมชาติ ยึดติดกับโมเลกุลของก๊าซเพื่อให้สามารถจัดเก็บและแยก^{ได้[ 43 ]}

TP-COF ที่มีการจัดเรียง π-conjugation สูง ซึ่งประกอบด้วยฟังก์ชันไพรีนและไตรฟีนิลีน ที่เชื่อมต่อกันสลับกันในโครงกระดูกหกเหลี่ยมแบบมีรูพรุนขนาดกลาง มีคุณสมบัติ เรืองแสง สูง เก็บเกี่ยวโฟตอนในช่วง ความยาวคลื่นกว้างและช่วยให้เกิดการถ่ายโอนและการเคลื่อนย้ายพลังงาน นอกจากนี้ TP-COF ยังนำไฟฟ้าได้และสามารถสลับกระแสไฟฟ้าแบบเปิด-ปิดซ้ำๆ ได้ที่อุณหภูมิห้อง^{[ 44 ]}

การศึกษาส่วนใหญ่จนถึงปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาวิธีการสังเคราะห์โดยมีเป้าหมายเพื่อเพิ่มขนาดรูพรุนและพื้นที่ผิว ให้สูงสุด สำหรับการกักเก็บก๊าซนั่นหมายความว่าฟังก์ชันของ COF ยังไม่ได้รับการสำรวจอย่างดี แต่ COF สามารถใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา [ ^{45 ] หรือ}สำหรับการแยกก๊าซเป็นต้น^{[ 7 ]}

ในปี 2558 มีรายงานการใช้ COF ที่มีรูพรุนสูงและตกแต่งด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นคาร์บอนมอนอกไซด์^{[ 46 ]} MOF ภายใต้สภาวะที่ปราศจากตัวทำละลายยังสามารถใช้สำหรับกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาในการเติมไซโคลของ CO2 _และอีพอกไซด์เป็นคาร์บอเนตอินทรีย์แบบวงแหวนด้วยความสามารถในการรีไซเคิลตัวเร่งปฏิกิริยาที่เพิ่มขึ้น^{[ 47 ]}

เนื่องจากการกำหนดปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลและโครงสร้าง COF จึงสามารถใช้เป็นเซ็นเซอร์เคมีในสภาพแวดล้อมและการใช้งานที่หลากหลาย คุณสมบัติของ COF จะเปลี่ยนแปลงเมื่อฟังก์ชันการทำงานของมันมีปฏิสัมพันธ์กับสารวิเคราะห์ต่างๆ ทำให้วัสดุสามารถทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์ในสภาวะต่างๆ ได้ เช่นเซ็นเซอร์ต้านทานเคมี^{[ 36 ]}รวมถึงเซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมีสำหรับโมเลกุลขนาดเล็ก^{[ 48 ]}

เนื่องจากความสามารถในการนำฟังก์ชันการทำงานที่หลากหลายเข้าสู่โครงสร้างของ COF ทำให้สามารถปรับแต่งไซต์เร่งปฏิกิริยาร่วมกับคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์อื่นๆ เช่น การนำไฟฟ้าและความเสถียร เพื่อให้ได้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพและเลือกได้ COF ถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกันในปฏิกิริยาอินทรีย์^{[ 49 ]} ปฏิกิริยา ไฟฟ้าเคมี^{[ 37 ] [ 50 ]}รวมถึงปฏิกิริยาเคมีแสง^{[ 29 ]}

COF ได้รับการศึกษาในฐานะ ตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าที่ไม่ใช่โลหะสำหรับการเร่งปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับพลังงาน รวมถึงการลดคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยไฟฟ้าและปฏิกิริยาการแยกน้ำ^{[ 51 ]}อย่างไรก็ตาม การวิจัยดังกล่าวยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นมาก ความพยายามส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การแก้ปัญหาสำคัญ เช่น การนำไฟฟ้า^{[ 52 ]}และความเสถียรในกระบวนการทางเคมีไฟฟ้า^{[ 53 ]}

COF บางชนิดมีเสถียรภาพและการนำไฟฟ้าที่จำเป็นต่อการทำงานได้ดีในการใช้งานด้านการจัดเก็บพลังงาน เช่น^{แบตเตอรี่}ลิเธียมไอออน [ ^{54 ] [ 55 ]} และ แบตเตอรี่ และ แคโทดโลหะไอออนชนิดต่างๆ^{[ 56 ] [ 57 ]}

ต้นแบบชั้น COF หนา 2 นาโนเมตรบนพื้นผิวกราฟีนถูกใช้เพื่อกรองสีย้อมจากน้ำเสียอุตสาหกรรม เมื่อเต็มแล้ว COF สามารถทำความสะอาดและนำกลับมาใช้ใหม่ได้^{[ 58 ]} COF ยังสามารถใช้เพื่อกำจัดPFASในน้ำได้ โดย COF 2 มิติที่เชื่อมต่อด้วยอิมินแบบหกเหลี่ยมแสดงความสัมพันธ์สูงต่อ PFAS ที่เป็นประจุลบ^{[ 59 ]}

มีการสร้าง COF 3 มิติ ซึ่งมีลักษณะเป็น โครงสร้างมีรู พรุนขนาดกลาง ที่เชื่อมต่อกัน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการบรรจุและการปลดปล่อยยาที่มีประสิทธิภาพในสภาพแวดล้อมของเหลวในร่างกายจำลอง ทำให้มีประโยชน์ในฐานะตัวนำส่งนาโนสำหรับยา^{[ 60 ]}

• พอลิเมอร์ไมโครพรุนแบบคอนจูเกต
• โครงสร้างอินทรีย์ที่เชื่อมด้วยพันธะไฮโดรเจน

Scholiaมีข้อมูลจำเพงสำหรับโครงสร้างอินทรีย์แบบพันธะโควาเลนต์(Q5178887 )

• ยินดีต้อนรับสู่เว็บไซต์ห้องปฏิบัติการยาห์กี