共价有机框架化合物（COFs）展现出意想不到的高催化活性，最近的研究揭示了这一现象背后的原因。
共价有机框架的催化剂实际上比早期认为的要不稳定，但它们仍然表现出显著的活性。COFs被视为有前景的定制催化剂，尤其是在环保的燃料和化学品生产中。它们的性能可以通过精确调整分子结构和化学成分来细致调节，以促进特定反应。然而，来自德国鲁尔大学博鸿的研究人员与马克斯·普朗克固体研究所（MPI-FKF）和可持续材料研究所（MPI-SusMat）的合作成果揭示，实际上提供催化活性的并不是COFs本身。而是钴离子从框架中脱离，转变为氧化纳米颗粒，实际上驱动了催化过程。该团队的研究结果详细发表于2024年11月26日在线发布的期刊《先进科学》（Advanced Science）上。
“这项研究为我们提供了洞见，帮助我们创造出比以前设计的COFs更优秀的有机框架和纳米颗粒催化剂，”鲁尔大学博鸿的Kristina Tschulik教授表示，她与MPI-FKF的Bettina Lotsch教授共同发起了这项研究。“作为一名电化学家，我一直对COFs如何触发其催化活性感到好奇，”Tschulik表示，表达了她进一步调查的愿望。
它们在极端条件下是否耐用？
由Kristina Tschulik领导的博鸿研究团队与来自斯图加特的专业人员合作，后者由Bettina Lotsch领导，专注于COF合成。两个团队都是基于斯图加特的合作研究中心1333的成员。研究人员Pouya Hosseini、Andrés Rodríguez-Camargo和Liang Yao研究了多种含钴COFs在氧析出反应中的催化性能，这一过程在多个工业应用中至关重要，例如通过水电解产生氢气。“氧析出反应中的条件相当苛刻，”Kristina Tschulik评论道。“目前，只有氧化铱是一种稳定的催化剂。”尽管如此，最近的研究表明COFs在该反应中也能保持稳定。
最初，研究团队对COFs在氧析出反应中的电化学特性进行了评估。他们发现转换在多个循环中产生了高活性。然而，Kristina Tschulik意识到这些数据与她在合作研究中心247的七年经验中遇到的数据相似，当时她研究了作为催化剂的钴氧化物纳米颗粒，产生了类似的电流电位曲线。这促使小组进行更复杂的材料表征，由MPI-SusMat的Christina Scheu团队协助，他们是电子显微镜方面的专家。
支架如何防止纳米颗粒聚集
分析确认了来自含钴支架的氧化钴纳米颗粒的形成，后者承担了催化剂的角色。这一转变发生在电极浸入碱性溶液中时。“尽管如此，COFs的多孔结构发挥了至关重要的作用，”Tschulik解释道，强调了另一个重要发现。“它们为反应创造了最佳环境，并防止纳米颗粒聚集在一起。通常，这种聚集会导致可用催化表面积的减少，从而可能使颗粒失去活性。”
在他们的文章中，作者还提出了以确保催化剂负载COFs的稳定性和催化效率的方式生产它们的策略，即使在具有挑战性的反应条件下也能有效。
