2024年12月11日，南京工业大学苏州未来膜技术创新中心主任孙世鹏教授、哈尔滨工业大学邵路教授、张艳秋副教授等研究人员通过设计反应扩散组装过程，使用单宁酸(TA)进行异相成核合成，构建了图灵架构COF膜。相关研究成果以“Turing covalent organic framework membranes via heterogeneous nucleation synthesis for organic solvent nanofiltration”为题发表在Science Advances。

TA与胺单体共价结合，形成具有增加的反应性和降低的扩散性的复合前体。这改变了席夫碱与醛单体反应的途径，满足了合适的反应扩散条件，最终形成了具有可控堆叠和均匀孔结构的迷宫状条纹或斑点图案图灵COF膜。一方面，TA诱导的羰基活化和胺基质子化使配合物前驱体的反应速率增大，而分子体积和质量的增加使配合物前驱体的扩散速率降低。调控的反应扩散动力学使COF能够以时空可控的方式在基底上生长。另一方面，TA的空间位阻和电荷排斥使溶液中的COF晶砖由絮状聚集体转变为均匀分散的球体，从而有利于在基底上均匀堆积，最终形成具有均匀孔结构的图灵架构COF薄膜。这使得制备的COF膜具有高效的分子筛分能力，可用于有机溶剂纳滤，同时其通量比商用膜高621%。因此，这项研究为高效COF膜的原位合成提供了范例，可用于多种可持续分离。

  核心创新点  

异质成核合成方法：通过使用丹宁酸（TA）作为异质成核点，调控反应-扩散动力学，实现了在均相溶液中COF薄膜的原位合成，这种方法改变了COF晶体合成的反应路径，并影响了COF的结构和反应及扩散动力学。

图灵结构COF膜：通过调控TA/Pa复合前体，实现了COF膜在空间上的调控生长，形成了具有迷宫状条纹或斑点图案的图灵COF膜，这些结构具有受控的堆叠和均匀的孔结构。

分子筛选能力：所制备的COF膜在有机溶剂纳米过滤中展现了高效的分子筛选能力，其通量比商业膜高621%，展示了卓越的渗透性能。

反应-扩散动力学调控：研究者通过实验和分子动力学（MD）模拟分析了COF前体的扩散系数差异，并利用密度泛函理论（DFT）模拟了TA辅助合成过程中的Schiff碱反应，揭示了TA在加速COF合成反应速率中的关键作用。

  成果启示  

这项研究设计了一种异质成核合成方法，以在均质溶液中实现具有可控堆叠和时空静止模式的独特图灵COF膜实验结果与DFT和MD模拟相结合，证实了潜在的形成机制。TA的引入改变了COF晶体合成的反应途径，并影响了COF的结构及其反应和扩散动力学。这种改变会破坏均质静止状态，并导致形成时间静止的规则异质结构。物理化学表征和性能分析验证了改设计，揭示了突出的分子筛分性能和显著的渗透通量。因此，这项工作为高性能COF膜的调节和构建提供了一个范例，展示了如何将COF结构的微观设计和COF晶砖的宏观调制相结合来优化此类膜的孔结构和分离性能。=

原文链接：doi.org/10.1126/sciadv.adr9260