AMR Account | 天津大学姜忠义教授团队：从工程角度探讨COF膜的设计制备
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近日，天津大学化工学院姜忠义教授团队的AMR述评文章“Engineering Covalent Organic Framework Membranes”在线发表，从筑网工程、晶体工程和通道工程三个角度探讨了COF膜的设计制备，并对COF膜的发展做出展望。作者团队还就该领域当前研究热点和机会，科研及人才培养的心得进行了分享，欢迎感兴趣的读者进行交流。
作者简介
天津大学化工学院
姜忠义 教授
姜忠义，天津大学化工学院教授。长江学者，国家杰出青年基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才，新世纪百千万人才国家级人选，享受政府特殊津贴人员，英国皇家化学会会士；国家科技部创新团队负责人，国家基金委创新群体学术骨干，国家重点研发计划项目首席科学家。1994年博士毕业于天津大学化工系并留校任教，曾赴美国明尼苏达大学和加州理工学院做访问学者。长期从事膜和膜过程、酶催化研究，负责国家重点研发计划项目、国家基金重点项目课题等项目。在Nat. Commun., JACS, Angew. Chem., Adv. Mater. 上发表SCI论文600余篇，SCI引用25000余次，H因子85。现任Advanced Membranes期刊副主编，Journal of Membrane Science，Research, Separation and Purification Technology, Green Chemical Engineering等期刊编委，连续入选中国高被引学者（化学工程）榜单，并入选全球化学工程高被引学者榜单。
麻省理工学院博士后
何光伟 博士
何光伟，麻省理工学院博士后。2016年博士毕业于天津大学，师从姜忠义教授；2016-2019年在瑞士洛桑联邦理工学院从事博士后研究，导师Kumar Agrawal教授；2019年至今，在MIT化工系从事博士后研究，导师美国工程院院士Michael Strano教授。研究领域主要涉及单原子层石墨烯、MOFs、COFs膜的微结构精密调控与分离性能研究。目前以第一作者身份在Sci. Adv., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Acc. Mater. Res. 等期刊上发表论文19篇，引用3400余次，H因子35；获欧洲发明专利授权2项，中国专利授权5项。担任Advanced Membranes青年编委，担任AIChE分会主席。
天津大学化工学院讲师
张润楠 博士
张润楠，天津大学化工学院讲师。2018年博士毕业于天津大学，师从姜忠义教授。研究领域主要涉及COFs、GO膜制备与结构调控以及分子、离子选择性传质过程高效强化。发表SCI论文75篇，SCI引用3300余次，H因子31。其中以第一/通讯作者在Chem. Soc. Rev., J. Mater. Chem. A, J. Membrane Sci. 等化学、化工、材料领域高水平期刊发表SCI论文18篇（ESI高被引论文1篇），被Nature、Adv. Mater. 等SCI期刊引用800余次，获国家发明专利授权7项。承担NSFC青年科学基金项目、中国博士后科学基金特别资助（站前）及面上项目等国家级、省部级项目。获中国石化联合会科技进步一等奖、中国石化联合会-科莱恩（CPCIF-Clariant）可持续发展青年创新奖、2019年天津市优秀博士学位论文等奖项，获美国化学会“I&ECR 2020最具影响力学者”荣誉（全球15人）。
NO.1
AMR：请简要描述一下这篇Account所介绍的研究。
膜分离技术在应对碳中和、水资源短缺和环境污染等重大挑战中发挥着日益重要的作用，对人类社会的可持续发展提供了重要技术保障。膜技术的核心是膜材料。目前，商业化膜材料以高分子为主，其交联结构的传质通道难以精准调控，性能无法满足实际应用需求。因此，开发新型高性能膜材料势在必行。近年来，共价有机框架（COF）膜以其独特的框架结构和物理化学特性，被认为是新一代膜材料的的典型代表。首先，COFs的孔道规整、可调控性极强、且结构稳定。COFs的结构比MOFs稳定，在很多条件下，甚至比沸石更稳定。其次，由于丰富的有机单体，COFs的孔道易引入功能基团。再者，COFs特别适于构筑0.6-3 nm的规整通道，这是其他膜材料难及的孔径范围。最后，相比其它晶体材料，COFs的成膜性更好，易于制成超薄膜，且具备优异的机械性能。但目前COF膜仍面临三大主要挑战：较差的加工性，低结晶度和通道尺寸难以精密控制。
在过去5年中，我们课题组围绕COF膜制备与应用中存在的主要问题，展开了较为系统深入的研究。根据我们的研究进展和对COF膜的逐步理解，在这篇Account中，我们从三个工程角度探讨了COF膜的设计制备，即筑网工程、晶体工程和通道工程。
筑网工程的主题是如何从粉末到膜。我们重点剖析了COF膜的设计与制备，涉及单体和化学键的选择，以及COF膜的制备方法。COFs的种类繁多，其形态大多为粉末状，可制成连续COF薄膜的种类极少。在这一部分，我们重点阐述了COF膜的成膜性，COF 膜结构形成过程中的瓶颈问题与COF膜制备的突破口。我们详细分析了两种常用方法，即界面聚合和原位生长。
晶体工程的主题是如何从无序到有序。我们重点剖析了COF膜低结晶性的成因，阐述了结晶性的三大影响因素：键的强度和可逆性，反应速率，键的可转动性。接着，结合我们的研究范例，介绍了如何主动调控这些影响因素，以实现高结晶度COF膜的制备。例如，我们通过气固界面合成法制备了高结晶度超薄COF膜，在此，高温（促进可逆反应）和慢速扩散（降低反应速率）促进了高结晶度薄膜的形成。
通道工程的主题是如何从均相到异相。我们重点从应用的角度，分析了COF膜传递通道的精密调控策略，例如混合维度策略、混合组装策略和混合基质策略，其分别通过COF纳米片与一维纳米线杂化、COF膜与另一种COF膜杂化（双层膜）和COF纳米粒子与高分子杂化，以提高COF通道对小分子的分离选择性。
最后，我们重点总结了COF膜研究未来面临的主要挑战与发展趋向。
NO.2
AMR：您对该领域的发展有何种愿景？
作者团队：
我们在近期综述中，首次提出了有机分子筛膜的概念。COF膜作为有机分子筛膜家族的重要成员，研究工作目前处于异常活跃期和快速上升期，其研究热度可与MOF膜媲美。我们预计未来COF膜将成为一种主流的膜材料，且COF膜由于其优异的化学、机械稳定性和成膜性，其工业化前景更为诱人。我们预计COF膜有望在不久的将来在纳滤、渗透蒸发等领域率先实现工业化应用。
NO.3
AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！
作者团队：
COF膜的研究还处于初阶阶段，我们认为还有以下几个方面存在研究机遇：高结晶度COF膜，超薄COF膜，COF 纳米片层状膜，具备更高化学稳定性的COF膜（非C-N键连接），COF混合基质膜，COF膜的传质通道高精度调节和小分子或者离子的分离，COF膜结晶化机理探索。
NO.4
AMR：您认为该领域当前最值得关注的研究热点是什么?
作者团队：
我们认为COF纳米片层状膜最值得关注，这主要是因为COF纳米片种类繁多，易于制备，结构可调控空间非常大。此外，COF纳米片的交错结构可有效降低有效孔径，为分离小分子提供了丰富的排列组合。最后，COF纳米片成膜性好，可用简单的溶剂铸膜法或抽滤制膜法。
NO.5
AMR：请问有什么科研心得想分享给读者们?
作者团队：
膜分离领域是一个多学科交叉领域，要取得高质量的科研成果，除需阅读大量的经典文献外，科研人员还需具备丰富的多学科基础知识，比如化工、化学、材料学、生物学、计算科学与人工智能等，其中理解化学现象背后的物理规律尤为重要，可加深对膜材料研究的理解，从而给自己的研究带来泉流般涌现的原创灵感。
NO.6
AMR：请问您对该领域的人才培养有何种倡议?
姜忠义教授：
建议大家要选择具有重大挑战的课题，敢啃硬骨头，敢打阵地战，持续深入探索，不断创造，不断前进。通过解决共性关键科学问题或技术难题，不但能最大化对该领域的贡献，同时，这个探索历程对于研究生的创新素质和能力培养是弥足珍贵的，是在科学研究中不断树立新理念、构建新格局，实现高质量、可持续发展的基石。
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Engineering Covalent Organic Framework Membranes
Guangwei He, Runnan Zhang, and Zhongyi Jiang*
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.1c00083
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