中文题目：室温低浓度SO2检测用可扩展熔融聚合合成的共价有机框架薄膜
英文题目：Scalable Melt Polymerization Synthesis of Covalent Organic Framework Films for Room Temperature Low-Concentration SO2 Detection
期刊：Journal of the American Chemical Society
DOI：10.1021/jacs.4c10879
文章强调了文章强调了：开发能够在室温下检测低浓度SO2的高效传感器的重要性，这对于保护人类健康和精细化学领域至关重要。研究人员首次开发了一种具有超微孔结构和丰富结合位点的可扩展烯烃连接共价有机框架（COF），作为SO2传感材料，其吸附能力超越了所有已报道的COF。通过计算和动力学吸附研究，文章深入揭示了低浓度SO2的选择性吸附机制，并通过多组分气体混合物突破实验证实了COF对低浓度SO2的特异性捕获能力。此外，文章还介绍了一种创新的熔融聚合技术，用于制造具有可调节基材和薄膜厚度的COF薄膜，并直接在叉指电极上生长COF薄膜以制备SO2传感器设备，该设备展现出低检测限和优异的选择性，整体性能在同类SO2传感器中名列前茅。值得注意的是，该传感器能在室温下保持稳定的输出信号超过两个月，并且可以通过简单的氮气净化实现恢复，无需加热。这项研究不仅标志着COF在SO2传感中的首次应用，而且为COF在检测低浓度有毒气体和制造气体传感器设备方面开辟了新的可能性。
文章的主要研究问题是
开发能够在室温下检测低浓度SO2的高效传感器的重要性，这对于保护人类健康和精细化学领域至关重要。研究人员首次开发了一种具有超微孔结构和丰富结合位点的可扩展烯烃连接共价有机框架（COF），作为SO2传感材料，其吸附能力超越了所有已报道的COF。通过计算和动力学吸附研究，文章深入揭示了低浓度SO2的选择性吸附机制，并通过多组分气体混合物突破实验证实了COF对低浓度SO2的特异性捕获能力。此外，文章还介绍了一种创新的熔融聚合技术，用于制造具有可调节基材和薄膜厚度的COF薄膜，并直接在叉指电极上生长COF薄膜以制备SO2传感器设备，该设备展现出低检测限和优异的选择性，整体性能在同类SO2传感器中名列前茅。值得注意的是，该传感器能在室温下保持稳定的输出信号超过两个月，并且可以通过简单的氮气净化实现恢复，无需加热。这项研究不仅标志着COF在SO2传感中的首次应用，而且为COF在检测低浓度有毒气体和制造气体传感器设备方面开辟了新的可能性
文章的结论如下：
通过使用超微孔共价有机框架（COF，特别是NKCOF-12）作为传感器材料，在COF领域首次实现了对低浓度SO2的检测。这种材料因其窄孔径和丰富的结合位点而展现出对低浓度SO2的选择性捕获能力。NKCOF-12在1 bar条件下对SO2的吸附量达到220 cm3/g，在0.01 bar条件下为40 cm3/g，超越了所有已报道的COF材料。此外，NKCOF-12在多组分气体混合物中能够选择性捕获2000 ppm的SO2，突破时间为911 min/g，远高于其他经典吸附剂。文章还介绍了熔融聚合薄膜制备技术的创新，制备了无缺陷的COF薄膜，并直接在叉指电极上生长COF薄膜，制备了SO2传感器设备。该传感器能在室温下检测1-1000 ppm的SO2，检测限为86 ppb，响应时间为208 s。与其他报道的SO2传感器相比，其整体性能位居前列。值得注意的是，该传感器可保持稳定的输出信号两个多月，只需在室温下净化氮气即可轻松实现回收，无需加热。这项研究不仅深入探索了COF在有毒气体捕获和气体传感器制造中的前沿潜力，还为未来该领域的发展提供了新视角，为COF在检测低浓度有毒气体和制造气体传感器设备方面开辟了新的可能性。
图1：(a) NKCOF-12薄膜的制备过程，展示了从固体到熔融再到固体的转变过程，以及制备出的薄膜长度可以达到10厘米。(b) 在一个形状不规则的苹果形玻璃玩具上制备NKCOF-12薄膜。(c) 在多孔Al2O3上制备的NKCOF-12薄膜。(d) 在不同形状的铝箔上制备的NKCOF-12薄膜。
图2：(a) NKCOF-12的SO2吸附等温线图，展示了在273和298 K下NKCOF-12对SO2的吸附能力。(b) 即使在空气中放置两个月后，NKCOF-12的SO2吸附容量在五个循环中仍然保持一致。(c) NKCOF-12对SO2的动态吸附曲线图，展示了吸附速率和饱和吸附量。(d) NKCOF-12在298 K下对SO2的首选阶段I吸附曲线，显示了其在低浓度SO2下的吸附性能。
图3：(a) NKCOF-12的一维通孔结构图。(b) NKCOF-12对SO2的吸附场模拟图。(c) NKCOF-12对SO2的吸附位点I模拟图。(d) NKCOF-12重复单元的电静势图。
图4：(a) NKCOF-12对混合气体SO2/CO2/N2（2000 ppm SO2 + 14.8% CO2 + 85% N2）的实验突破曲线图。(b) NKCOF-12在2000 ppm SO2气体混合物突破测试中的五个循环曲线图。(c)NKCOF-12的穿透曲线循环性图。(d) 合成COFs与商业材料在2000 ppm SO2气体混合物突破时间的比较图。
图5：(a) NKCOF-12在1000 ppm SO2中放置不同时间后的PXRD图案图。(b) 空白IDE、NKCOF-12和IDE基板上的NKCOF-12的PXRD图案图。(c) 空白IDE、NKCOF-12和IDE基板上的NKCOF-12的FT-IR图。(d) IDE基板上的NKCOF-12的照片。(e) NKCOF-12薄膜表面的SEM图。(f) NKCOF-12传感器薄膜厚度的FESEM图。(g) 气体检测装置的流程图。
图6：(a) NKCOF-12传感器在不同ppm浓度范围内检测SO2的图。(b) NKCOF-12传感器在相应范围内的线性响应图。(c) NKCOF-12传感器的响应-恢复时间曲线图。(d) NKCOF-12传感器在1-1000 ppm范围内五个循环的性能图。(e) NKCOF-12传感器在25、100、500和1000 ppm不同浓度下对SO2检测的稳定性图。(f) NKCOF-12传感器对SO2和干扰气体的反应图。
