近日，我校化学化工学院范维刚教授团队在国际顶级化学期刊《Journal of the American Chemical Society》上发表了题为“Controlled Axial Growth and Morphological Evolution of Three-Dimensional Covalent Organic Frameworks Unveiled by Single-Crystal X-ray Diffraction”的学术论文，这是迄今为止在JACS上第一篇以新疆师范大学为唯一单位或第一单位的学术文章。

图1 论文首页

研究背景

精确控制晶体形貌在结晶学中一直是一项核心挑战。这种控制能够在不改变原子组成的前提下，直接调控材料的宏观性质。共价有机框架（COFs）虽然具有极高的结构稳定性，但其共价键的高方向性和低可逆性，使得在单晶水平上对结晶形貌进行可编程控制变得极其困难。因此，开发一种能够将成核与生长阶段分离、从而实现沿特定晶轴精确控制生长的合成策略，对于充分发挥单晶COFs的潜能具有重要意义。

图2 协同双酸催化合成COFs单晶及各向异性生长控制策略示意图

研究成果与亮点

为了打破这一瓶颈，范维刚教授团队创新性地提出了一种质子酸/路易斯（Brønsted/Lewis）双酸协同催化策略。研究团队利用三氟乙酸（TFA）作为Brønsted酸，并引入三氟甲磺酸镝（Dy(OTf)₃）作为Lewis酸，成功合成了大尺寸（≥50 μm）、高质量且具有dia拓扑结构的三维COFs单晶（XNU-375系列；XNU代表新疆师范大学）。该研究的最大亮点在于揭示了特定位点的结合作用对宏观晶体生长的决定性影响。通过系统调控Dy(OTf)₃的浓度，能够显著抑制晶体的孪晶率，并精确引导其生长轨迹。宏观上，晶体形貌实现了从八面体到长条形（四方双锥）的连续演变。在客体分子的脱除与溶剂交换过程中，研究直接捕捉到了该单晶罕见的结构柔性和“呼吸”效应，其体积收缩变化率高达46%。同时，在经过细致优化的样品活化处理后，氮气吸附测试确证了该系列材料优异的孔隙特性，其BET比表面积高达2238 – 2381 m²·g^-1。

图3 单晶结构、孔道几何形变及体积“呼吸”效应的结构表征

该项工作不仅填补了大尺寸三维COFs单晶宏观形貌精确调控的空白，也为各向异性生长机制和复杂多孔结构的定向开发提供了强有力的理论支撑与坚实的实验平台。

范维刚，新疆师范大学化学化工学院教授，博士后合作导师，国家一级注册计量师，国家二级计量标准考评员，新疆法制计量技术委员会委员，西北计量技术委员会化学计量专委会专家，全国物理化学计量技术委员会在线理化分析仪器分技术委员会委员，新疆农药生产许可委员会委员及专家，新疆科技厅项目评审专家。2017年度新疆维吾尔自治区化学学会优秀青年科技奖，2018年度新疆维吾尔自治区化学学会杰出青年科技奖，2019年度新疆维吾尔自治区人民政府科技进步奖二等奖。主要研究方向：有机框架材料精准调控、先进荧光/磷光传感器构筑及应用、分子识别材料构建、化学计量等。主持国家自然科学基金、中央引导地方科技发展项目、自治区自然科学基金等多项国家及省部级课题。目前，以第一作者或通讯作者在JACS、Analytical Chemistry、Sensors and Actuators: B. Chemical、Reactive and Functional Polymers、Polymers、International Journal of polymer analysis and characterization、Functional Materials Letters、Journal of Molecular Recognition等期刊上发表学术论文30多篇。

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