Молекулярные заклепки защищают пористые материалы от разрушения во влажном воздухе

Рис. 1. Мезопористые COF со связями кето-енамин демонстрируют повышенную физическую стабильность благодаря внутрислоевым водородным связям. Автор: Advanced Functional Materials (2025). DOI: 10.1002/adfm.202514901

Ковалентные органические каркасы (COF) считаются материалами следующего поколения для сбора воды из воздуха, осушения и энергоэффективных тепловых насосов. Эти кристаллические высокопористые материалы, построенные из легких органических блоков, похожи на молекулярные конструкторы: их геометрию и химию можно точно настраивать. Однако оставалась серьезная проблема: во влажном воздухе COF могут разрушаться.

Помимо химической деградации, разрушающей ковалентные связи, проблема также связана с физической нестабильностью. Когда COF адсорбируют и высвобождают водяной пар, капиллярные силы в порах могут смещать слои, разрушать каналы или даже превращать каркасы в аморфные полимеры. Это снижает поглощение воды и сокращает срок службы устройств.

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Advanced Functional Materials, ученые синтезировали COF с размерами пор от 1,4 до 3,3 нанометров и проверили их в повторяющихся циклах адсорбции-десорбции водяного пара. Сразу был обнаружен компромисс: меньшие поры были стабильнее, но удерживали меньше воды, а большие поры хранили больше воды, но склонны были разрушаться под действием капиллярных сил.

Прорыв произошел, когда были введены кето-енаминовые связи, создающие внутрислоевые водородные связи (см. рис. 1). Эти молекулярные усиления действовали как заклепки, более жестко удерживая слои COF вместе, что снижает гибкость и предотвращает проскальзывание слоев.

Молекулярно-динамическое моделирование подтвердило стабилизирующую роль водородных связей. Экспериментально COF с кето-енаминовыми связями сохраняли кристалличность и пористость даже после 200 циклов тестирования с водяным паром. Для сравнения, COF с иминовыми связями быстро деградировали в аналогичных условиях.

Чтобы продемонстрировать практическую значимость, ученые масштабировали синтез с помощью микроволнового метода в водной среде, получив граммы материала за несколько часов. Затем они покрыли теплообменник стабильным COF (Tp_OMe-BpyD COF) и продемонстрировали эффективное осушение воздуха при температурах регенерации всего 60°C.

Рис. 2. a) Теплообменник, покрытый COF Tp_OMe-BpyD, и b) схема процесса динамического осушения. c) Результаты динамического осушения (25°C) и регенерации (60°C). d) Влияние температуры регенерации на влагоемкость для COF и MOF на основе алюминия фумарата. Автор: Advanced Functional Materials (2025). DOI: 10.1002/adfm.202514901

По сравнению с эталонным металло-органическим каркасом, устройство с COF-покрытием показало почти вдвое большую влагоемкость, работая при низкотемпературном тепле, которое можно получать из отходов или солнечной энергии (см. рис. 2).

Исследование предлагает новые принципы проектирования COF, позволяющие найти баланс между влагоемкостью и устойчивостью. Усилив COF на молекулярном уровне, ученые сделали их достаточно долговечными для реальных применений — от осушения воздуха до устойчивого сбора воды.

Больше информации: Wei Zhao et al, Covalent Organic Frameworks for Water Sorption: The Importance of Framework Physical Stability, Advanced Functional Materials (2025). DOI: 10.1002/adfm.202514901