多孔有機(jī)籠共組裝體：構(gòu)筑策略、性能調(diào)控與應(yīng)用前景

一、引言1.1研究背景與意義在材料科學(xué)領(lǐng)域，多孔有機(jī)籠共組裝體作為一類新型的功能材料，近年來受到了廣泛的關(guān)注。多孔有機(jī)籠是由有機(jī)小分子通過共價(jià)鍵或非共價(jià)鍵連接而成的具有納米級空腔的離散型分子，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)使其在氣體吸附與分離、催化、分子識別、藥物傳遞等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。從結(jié)構(gòu)上看，多孔有機(jī)籠具有明確的分子結(jié)構(gòu)和規(guī)整的孔道，這使得它們能夠提供特定的空間環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對特定分子的選擇性吸附和分離。與傳統(tǒng)的多孔材料如沸石、活性炭等相比，多孔有機(jī)籠的孔道尺寸和形狀可以通過分子設(shè)計(jì)進(jìn)行精確調(diào)控，從而滿足不同應(yīng)用場景的需求。例如，在氣體吸附領(lǐng)域，通過合理設(shè)計(jì)多孔有機(jī)籠的結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)其對特定氣體分子的吸附能力和選擇性，如對二氧化碳、甲烷等溫室氣體的高效捕獲和分離，這對于緩解全球氣候變化、實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)具有重要意義。在催化領(lǐng)域，多孔有機(jī)籠的高比表面積和可調(diào)節(jié)的孔道結(jié)構(gòu)使其成為理想的催化劑載體。將催化活性中心引入多孔有機(jī)籠內(nèi)部，可以實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)底物的高效富集和選擇性催化轉(zhuǎn)化。例如，一些研究報(bào)道了將金屬配合物或酶固定在多孔有機(jī)籠中，構(gòu)建出具有高活性和選擇性的非均相催化劑，用于有機(jī)合成反應(yīng)、生物催化反應(yīng)等，有效提高了反應(yīng)的效率和選擇性，同時(shí)也便于催化劑的回收和重復(fù)使用，降低了生產(chǎn)成本。分子識別是多孔有機(jī)籠的另一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。由于其獨(dú)特的空腔結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，多孔有機(jī)籠能夠與特定的分子或離子發(fā)生特異性相互作用，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)分子的識別和傳感。這在生物醫(yī)學(xué)檢測、環(huán)境監(jiān)測等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。例如，利用多孔有機(jī)籠對生物分子的特異性識別能力，可以開發(fā)新型的生物傳感器，用于疾病的早期診斷和生物標(biāo)志物的檢測；在環(huán)境監(jiān)測中，多孔有機(jī)籠可以用于檢測水中的重金屬離子、有機(jī)污染物等，為環(huán)境保護(hù)提供有效的技術(shù)手段。此外，多孔有機(jī)籠在藥物傳遞領(lǐng)域也展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。其納米級的空腔可以負(fù)載藥物分子，通過對多孔有機(jī)籠表面進(jìn)行修飾，可以實(shí)現(xiàn)對藥物的靶向輸送和控制釋放，提高藥物的療效和降低毒副作用。例如，一些研究將抗癌藥物封裝在多孔有機(jī)籠中，并通過表面修飾使其能夠特異性地靶向腫瘤細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)了對腫瘤的精準(zhǔn)治療。盡管多孔有機(jī)籠在上述領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力，但目前其研究仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，多孔有機(jī)籠的合成方法相對復(fù)雜，產(chǎn)率較低，限制了其大規(guī)模制備和應(yīng)用；多孔有機(jī)籠的穩(wěn)定性和溶解性之間的平衡難以調(diào)控，在一些應(yīng)用場景中可能會影響其性能；此外，對于多孔有機(jī)籠共組裝體的組裝機(jī)制和結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的研究還不夠深入，需要進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，以推動其在實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展。綜上所述，深入研究多孔有機(jī)籠共組裝體的構(gòu)筑方法和性能，對于解決實(shí)際問題具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。通過開發(fā)新型的構(gòu)筑策略，制備具有高性能的多孔有機(jī)籠共組裝體，有望為氣體吸附與分離、催化、分子識別、藥物傳遞等領(lǐng)域提供新的材料選擇和解決方案，推動相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展。1.2多孔有機(jī)籠共組裝體概述多孔有機(jī)籠共組裝體是由多孔有機(jī)籠作為基本構(gòu)筑單元，通過分子間相互作用（如氫鍵、π-π堆積、范德華力等）自組裝形成的具有特定結(jié)構(gòu)和功能的聚集體。多孔有機(jī)籠本身是由有機(jī)小分子通過共價(jià)鍵連接而成的具有明確分子結(jié)構(gòu)和納米級空腔的離散型分子，其結(jié)構(gòu)具有高度的可設(shè)計(jì)性和精確性。從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看，多孔有機(jī)籠共組裝體具有多級孔結(jié)構(gòu)。其中，初級結(jié)構(gòu)是單個多孔有機(jī)籠的納米級空腔，這些空腔具有明確的尺寸和形狀，能夠提供特定的分子容納空間。例如，一些多孔有機(jī)籠的空腔大小可以精確控制在幾納米到幾十納米之間，這使得它們能夠選擇性地容納不同大小和形狀的分子。而在共組裝過程中，多孔有機(jī)籠之間通過分子間相互作用堆積排列，形成了更高級別的孔道結(jié)構(gòu)，即次級孔。這些次級孔可以是一維、二維或三維的貫通孔道，為物質(zhì)的傳輸和擴(kuò)散提供了通道。與傳統(tǒng)的多孔材料相比，這種多級孔結(jié)構(gòu)賦予了多孔有機(jī)籠共組裝體獨(dú)特的性能。獨(dú)特性質(zhì)方面，多孔有機(jī)籠共組裝體具有高比表面積。由于其內(nèi)部豐富的納米級空腔和外部的多級孔道結(jié)構(gòu)，使得多孔有機(jī)籠共組裝體能夠提供較大的比表面積，一般可達(dá)到幾百平方米每克甚至更高。這使得它們在氣體吸附、催化等領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢，能夠提供更多的活性位點(diǎn)，增強(qiáng)與客體分子的相互作用。在氣體吸附方面，高比表面積使得多孔有機(jī)籠共組裝體能夠高效地吸附各種氣體分子，如在二氧化碳捕獲中，能夠快速地將二氧化碳分子吸附到其孔道和空腔內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對二氧化碳的有效分離和儲存。此外，多孔有機(jī)籠共組裝體還具有良好的可修飾性。由于構(gòu)成多孔有機(jī)籠的有機(jī)小分子可以通過化學(xué)合成進(jìn)行設(shè)計(jì)和修飾，因此可以在多孔有機(jī)籠的表面或內(nèi)部引入各種功能性基團(tuán)，如氨基、羧基、羥基等。這些功能性基團(tuán)能夠賦予多孔有機(jī)籠共組裝體特定的化學(xué)性質(zhì)和功能，如增強(qiáng)對特定分子的吸附選擇性、提高催化活性等。通過在多孔有機(jī)籠表面引入氨基基團(tuán)，可以增強(qiáng)其對酸性氣體分子的吸附能力，實(shí)現(xiàn)對酸性氣體的高效去除。與其他多孔材料相比，多孔有機(jī)籠共組裝體具有明顯的區(qū)別。例如，與沸石分子篩相比，沸石分子篩具有規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu)和均一的孔道尺寸，但它們的孔道通常較小，且化學(xué)組成相對固定，可修飾性較差。而多孔有機(jī)籠共組裝體的孔道尺寸和形狀可以通過分子設(shè)計(jì)進(jìn)行精確調(diào)控，并且具有良好的可修飾性，能夠滿足不同的應(yīng)用需求。與金屬-有機(jī)框架（MOFs）材料相比，MOFs是由金屬離子或金屬簇與有機(jī)配體通過配位鍵連接而成的多孔材料，雖然它們也具有高比表面積和可設(shè)計(jì)性，但MOFs的穩(wěn)定性往往受到配位鍵的影響，在一些條件下可能會發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌。而多孔有機(jī)籠共組裝體主要通過分子間相互作用組裝而成，具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，在不同的環(huán)境條件下能夠保持結(jié)構(gòu)的完整性。1.3研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢多孔有機(jī)籠共組裝體的研究近年來取得了顯著進(jìn)展，在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用價(jià)值，吸引了眾多科研人員的關(guān)注。在合成方法方面，目前已經(jīng)發(fā)展了多種策略來制備多孔有機(jī)籠及其共組裝體。早期主要通過傳統(tǒng)的有機(jī)合成方法，如席夫堿縮合反應(yīng)、硼酸酯縮合反應(yīng)等，來構(gòu)建多孔有機(jī)籠。這些方法雖然能夠成功合成出一些具有特定結(jié)構(gòu)的多孔有機(jī)籠，但往往存在反應(yīng)條件苛刻、產(chǎn)率較低、合成步驟繁瑣等問題。例如，在席夫堿縮合反應(yīng)中，需要嚴(yán)格控制反應(yīng)的pH值、溫度和反應(yīng)時(shí)間，以確保亞胺鍵的形成和多孔有機(jī)籠的穩(wěn)定性。近年來，一些新的合成技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如連續(xù)流合成技術(shù)，為多孔有機(jī)籠的制備提供了新的途徑。連續(xù)流合成技術(shù)具有反應(yīng)時(shí)間短、效率高、產(chǎn)物純度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)多孔有機(jī)籠的連續(xù)化生產(chǎn)。有研究通過連續(xù)流合成技術(shù)成功制備了亞胺籠分子，通過精確控制反應(yīng)物的比例和反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn)了對籠狀結(jié)構(gòu)的調(diào)控。自組裝機(jī)理的研究也是該領(lǐng)域的一個重要方向。多孔有機(jī)籠之間通過分子間相互作用，如氫鍵、π-π堆積、范德華力等，實(shí)現(xiàn)自組裝形成共組裝體。然而，目前對于這些分子間相互作用在自組裝過程中的協(xié)同效應(yīng)以及如何精確調(diào)控自組裝過程，還缺乏深入的理解。一些研究通過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相結(jié)合的方法，對多孔有機(jī)籠的自組裝過程進(jìn)行了研究。例如，利用X射線單晶衍射技術(shù)、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等表征手段，觀察多孔有機(jī)籠在自組裝過程中的結(jié)構(gòu)變化和形貌特征；同時(shí)，運(yùn)用分子動力學(xué)模擬、量子化學(xué)計(jì)算等理論方法，深入探討分子間相互作用的本質(zhì)和自組裝的驅(qū)動力。在性能研究方面，多孔有機(jī)籠共組裝體在氣體吸附與分離、催化、分子識別、藥物傳遞等領(lǐng)域展現(xiàn)出了獨(dú)特的性能。在氣體吸附與分離領(lǐng)域，多孔有機(jī)籠共組裝體由于其高比表面積和可調(diào)節(jié)的孔道結(jié)構(gòu)，對多種氣體分子具有良好的吸附性能和選擇性。如一些研究報(bào)道了多孔有機(jī)籠共組裝體對二氧化碳、甲烷、氫氣等氣體的高效吸附和分離。在催化領(lǐng)域，將催化活性中心引入多孔有機(jī)籠共組裝體中，能夠?qū)崿F(xiàn)對反應(yīng)底物的高效催化轉(zhuǎn)化。如將金屬配合物或酶固定在多孔有機(jī)籠共組裝體上，構(gòu)建出具有高活性和選擇性的非均相催化劑。在分子識別方面，多孔有機(jī)籠共組裝體能夠通過分子間的特異性相互作用，實(shí)現(xiàn)對特定分子或離子的識別和傳感。在藥物傳遞領(lǐng)域，多孔有機(jī)籠共組裝體的納米級空腔可以負(fù)載藥物分子，通過表面修飾實(shí)現(xiàn)對藥物的靶向輸送和控制釋放。盡管多孔有機(jī)籠共組裝體的研究取得了一定的進(jìn)展，但目前仍然面臨一些挑戰(zhàn)和難點(diǎn)。首先，多孔有機(jī)籠的合成方法仍有待進(jìn)一步優(yōu)化，以提高產(chǎn)率、降低成本，并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備。其次，對于多孔有機(jī)籠共組裝體的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的研究還不夠深入，需要進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，以深入理解其構(gòu)效關(guān)系，為材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。此外，多孔有機(jī)籠共組裝體在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性和耐久性也是需要解決的問題，如何提高其在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性，確保其長期穩(wěn)定地發(fā)揮性能，是未來研究的重點(diǎn)之一。展望未來，多孔有機(jī)籠共組裝體的研究有望在以下幾個方向取得突破。一是進(jìn)一步開發(fā)新型的合成方法和策略，實(shí)現(xiàn)多孔有機(jī)籠的精準(zhǔn)合成和多樣化功能化，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。二是深入研究多孔有機(jī)籠共組裝體的自組裝機(jī)理和結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，建立更加完善的理論模型，為材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。三是拓展多孔有機(jī)籠共組裝體的應(yīng)用領(lǐng)域，如在能源存儲、環(huán)境保護(hù)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究，探索其在解決實(shí)際問題中的潛力。隨著研究的不斷深入和技術(shù)的不斷進(jìn)步，多孔有機(jī)籠共組裝體有望成為一類具有重要應(yīng)用價(jià)值的新型功能材料，為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展帶來新的機(jī)遇和突破。二、多孔有機(jī)籠共組裝體的構(gòu)筑方法2.1共價(jià)鍵構(gòu)筑法共價(jià)鍵構(gòu)筑法是制備多孔有機(jī)籠共組裝體的重要策略之一，通過形成強(qiáng)共價(jià)鍵連接有機(jī)小分子，構(gòu)建出具有特定結(jié)構(gòu)和功能的多孔有機(jī)籠，為后續(xù)的共組裝提供基礎(chǔ)。在眾多共價(jià)鍵構(gòu)筑反應(yīng)中，硼酸縮合反應(yīng)、亞胺縮合反應(yīng)和烯基/炔基轉(zhuǎn)化反應(yīng)因其獨(dú)特的反應(yīng)特性和廣泛的應(yīng)用范圍，成為研究的熱點(diǎn)。2.1.1硼酸縮合反應(yīng)硼酸縮合反應(yīng)是基于硼酸與含有羥基的化合物之間發(fā)生的縮合反應(yīng)，形成穩(wěn)定的硼酸酯鍵，從而構(gòu)建多孔有機(jī)籠。其反應(yīng)原理是硼酸（B(OH)_3）中的硼原子具有空軌道，能夠與羥基（-OH）中的氧原子形成配位鍵，進(jìn)而發(fā)生脫水縮合反應(yīng)，生成硼酸酯。在這個過程中，反應(yīng)條件對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性能有著重要影響。通常，反應(yīng)需要在適當(dāng)?shù)娜軇┲羞M(jìn)行，如甲苯、二氯甲烷等有機(jī)溶劑，以保證反應(yīng)物的溶解性和反應(yīng)的順利進(jìn)行。反應(yīng)溫度一般控制在室溫至回流溫度之間，溫度過高可能導(dǎo)致副反應(yīng)的發(fā)生，影響產(chǎn)物的純度和產(chǎn)率；溫度過低則反應(yīng)速率較慢，反應(yīng)時(shí)間延長。此外，反應(yīng)體系的酸堿度也需要精確控制，一般在弱酸性或中性條件下進(jìn)行，以促進(jìn)硼酸與羥基的反應(yīng)，并防止硼酸酯的水解。在實(shí)際應(yīng)用中，硼酸縮合反應(yīng)被廣泛用于構(gòu)筑具有特定結(jié)構(gòu)的多孔有機(jī)籠共組裝體。有研究人員通過精心設(shè)計(jì)含有多個硼酸基團(tuán)和羥基的有機(jī)小分子，在甲苯溶劑中，于80℃下反應(yīng)24小時(shí)，成功制備出一種具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔有機(jī)籠。該多孔有機(jī)籠通過硼酸酯鍵的連接，形成了規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)，其孔徑大小均勻，約為2.5納米。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，這種多孔有機(jī)籠共組裝體對二氧化碳?xì)怏w具有優(yōu)異的吸附性能，在25℃和1個大氣壓下，對二氧化碳的吸附量可達(dá)5.6mmol/g。這是因?yàn)槠洫?dú)特的孔道結(jié)構(gòu)能夠提供豐富的吸附位點(diǎn)，與二氧化碳分子之間產(chǎn)生較強(qiáng)的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)高效的氣體吸附。再如，另一項(xiàng)研究利用硼酸縮合反應(yīng)，以對苯二酚和間苯二甲酸硼酸為原料，在二氯甲烷和甲醇的混合溶劑中，通過控制反應(yīng)溫度和時(shí)間，合成了一種具有二維層狀結(jié)構(gòu)的多孔有機(jī)籠。該多孔有機(jī)籠在催化領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的性能，將其負(fù)載金屬鈀納米粒子后，用于催化Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應(yīng)，表現(xiàn)出較高的催化活性和選擇性。在反應(yīng)中，多孔有機(jī)籠的孔道結(jié)構(gòu)能夠有效地富集反應(yīng)物分子，提高反應(yīng)物在催化劑表面的濃度，同時(shí)金屬鈀納米粒子與多孔有機(jī)籠之間的協(xié)同作用，進(jìn)一步促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行，使得反應(yīng)在較低的溫度和較短的時(shí)間內(nèi)即可獲得較高的產(chǎn)率。2.1.2亞胺縮合反應(yīng)亞胺縮合反應(yīng)是由胺與醛（或酮）在一定條件下發(fā)生反應(yīng)，胺的氮原子與醛（或酮）的碳原子形成亞胺結(jié)構(gòu)（C=N）。這種反應(yīng)具有一些顯著的特點(diǎn)和優(yōu)勢。首先，亞胺縮合反應(yīng)條件相對溫和，通常在室溫或較低溫度下即可進(jìn)行，這有利于減少副反應(yīng)的發(fā)生，提高產(chǎn)物的純度和產(chǎn)率。其次，反應(yīng)原料胺和醛（或酮）來源廣泛，種類豐富，通過選擇不同結(jié)構(gòu)的胺和醛（或酮），可以方便地調(diào)控多孔有機(jī)籠的結(jié)構(gòu)和功能。此外，亞胺鍵具有一定的穩(wěn)定性，同時(shí)在一定條件下又具有可逆性，這使得基于亞胺縮合反應(yīng)構(gòu)建的多孔有機(jī)籠在一些應(yīng)用中能夠表現(xiàn)出獨(dú)特的性能，如在分子識別和自修復(fù)材料等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。在合成不同結(jié)構(gòu)多孔有機(jī)籠共組裝體方面，亞胺縮合反應(yīng)發(fā)揮了重要作用。研究人員利用對苯二甲醛和乙二胺作為反應(yīng)物，在甲醇溶劑中，室溫下攪拌反應(yīng)12小時(shí)，成功合成了一種具有四面體結(jié)構(gòu)的多孔有機(jī)籠。該多孔有機(jī)籠通過亞胺鍵的連接，形成了穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部具有較大的空腔，可用于容納客體分子。通過改變反應(yīng)物的比例和反應(yīng)條件，還可以進(jìn)一步調(diào)控多孔有機(jī)籠的結(jié)構(gòu)和性能。將對苯二甲醛與乙二胺的摩爾比調(diào)整為2:3，在相同的反應(yīng)條件下，得到了一種具有八面體結(jié)構(gòu)的多孔有機(jī)籠，其孔道結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)與四面體結(jié)構(gòu)的多孔有機(jī)籠有所不同，在氣體吸附和分子識別等方面表現(xiàn)出不同的性能。又如，有研究以三醛基間苯三酚和二胺為原料，通過亞胺縮合反應(yīng)制備了一種具有三維框架結(jié)構(gòu)的多孔有機(jī)籠共組裝體。該組裝體具有高比表面積和豐富的孔道結(jié)構(gòu)，在藥物傳遞領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景。將抗癌藥物阿霉素負(fù)載到該多孔有機(jī)籠共組裝體中，利用其孔道結(jié)構(gòu)對藥物進(jìn)行封裝，通過表面修飾使其能夠特異性地靶向腫瘤細(xì)胞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，負(fù)載藥物的多孔有機(jī)籠共組裝體能夠有效地將藥物輸送到腫瘤細(xì)胞內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對腫瘤細(xì)胞的靶向治療，并且在一定程度上提高了藥物的穩(wěn)定性和生物利用度。2.1.3烯基/炔基轉(zhuǎn)化反應(yīng)烯基/炔基轉(zhuǎn)化反應(yīng)主要涉及烯基和炔基之間的化學(xué)反應(yīng)，如通過點(diǎn)擊化學(xué)等方式實(shí)現(xiàn)碳-碳雙鍵或三鍵的形成與轉(zhuǎn)化，從而構(gòu)建多孔有機(jī)籠。以常見的銅催化的疊氮-炔基環(huán)加成反應(yīng)（CuAAC）為例，其反應(yīng)機(jī)理是在銅離子的催化作用下，疊氮化物與炔烴發(fā)生1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng)，生成穩(wěn)定的三唑環(huán)結(jié)構(gòu)。這個反應(yīng)具有高效性和選擇性，能夠在溫和的條件下快速進(jìn)行，并且對多種官能團(tuán)具有良好的兼容性。在應(yīng)用范圍方面，烯基/炔基轉(zhuǎn)化反應(yīng)不僅可以用于構(gòu)建具有特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多孔有機(jī)籠，還能夠通過引入不同的功能基團(tuán)，對多孔有機(jī)籠的性能進(jìn)行精確調(diào)控，使其在催化、吸附、傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。在構(gòu)建特殊結(jié)構(gòu)多孔有機(jī)籠共組裝體中，烯基/炔基轉(zhuǎn)化反應(yīng)取得了顯著的效果?？蒲腥藛T設(shè)計(jì)合成了含有疊氮基和炔基的有機(jī)小分子，通過CuAAC反應(yīng)，成功制備了一種具有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔有機(jī)籠。在反應(yīng)過程中，將含有疊氮基的有機(jī)小分子和含有炔基的有機(jī)小分子按照一定比例溶解在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶劑中，加入適量的銅催化劑和配體，在室溫下攪拌反應(yīng)24小時(shí)。通過這種方法得到的多孔有機(jī)籠具有高度交聯(lián)的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其孔道結(jié)構(gòu)復(fù)雜且相互連通，形成了一種獨(dú)特的三維空間架構(gòu)。這種特殊結(jié)構(gòu)賦予了多孔有機(jī)籠共組裝體優(yōu)異的氣體吸附性能，對氫氣的吸附量在77K和1個大氣壓下可達(dá)1.8wt%，這是由于其豐富的孔道和較大的比表面積能夠提供更多的吸附位點(diǎn)，有利于氫氣分子的吸附和存儲。再如，另一項(xiàng)研究利用烯基/炔基轉(zhuǎn)化反應(yīng)，通過巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)，將含有巰基的有機(jī)分子與含有烯基的有機(jī)分子連接起來，構(gòu)建了一種具有熒光功能的多孔有機(jī)籠。在實(shí)驗(yàn)中，將含有巰基的熒光染料分子與含有烯基的有機(jī)小分子在光引發(fā)劑的作用下，通過紫外光照射引發(fā)反應(yīng)，在短時(shí)間內(nèi)即可形成穩(wěn)定的多孔有機(jī)籠結(jié)構(gòu)。該多孔有機(jī)籠不僅具有多孔材料的特性，還由于引入了熒光染料分子，使其具有熒光發(fā)射性能。利用這一特性，該多孔有機(jī)籠在熒光傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價(jià)值，能夠?qū)μ囟ǖ慕饘匐x子如銅離子進(jìn)行選擇性識別和檢測。當(dāng)銅離子存在時(shí)，多孔有機(jī)籠的熒光強(qiáng)度發(fā)生明顯變化，通過檢測熒光信號的變化可以實(shí)現(xiàn)對銅離子的快速、靈敏檢測。2.2非共價(jià)鍵構(gòu)筑法非共價(jià)鍵構(gòu)筑法在多孔有機(jī)籠共組裝體的構(gòu)建中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它利用氫鍵、π-π堆積、范德華力等弱相互作用，使多孔有機(jī)籠在溫和條件下實(shí)現(xiàn)自組裝，形成具有特定結(jié)構(gòu)和功能的共組裝體。這種構(gòu)筑方法不僅避免了共價(jià)鍵構(gòu)筑過程中可能出現(xiàn)的復(fù)雜反應(yīng)和結(jié)構(gòu)損傷，還賦予了共組裝體獨(dú)特的性質(zhì)和動態(tài)響應(yīng)能力。通過精確調(diào)控非共價(jià)相互作用，可以實(shí)現(xiàn)對共組裝體結(jié)構(gòu)和性能的精細(xì)調(diào)控，為制備高性能的多孔材料提供了新的策略和途徑。2.2.1氫鍵作用氫鍵是一種由氫原子與電負(fù)性較大的原子（如氮、氧、氟等）形成的弱相互作用，在多孔有機(jī)籠共組裝體的構(gòu)筑中扮演著至關(guān)重要的角色。其作用機(jī)制主要基于氫鍵的方向性和選擇性。在分子層面，當(dāng)一個多孔有機(jī)籠分子中的氫原子與另一個分子中具有孤對電子的電負(fù)性原子靠近時(shí)，會形成氫鍵。這種相互作用使得多孔有機(jī)籠分子能夠按照特定的方向和模式進(jìn)行排列，從而構(gòu)建出穩(wěn)定的共組裝體結(jié)構(gòu)。以某研究中合成的基于間苯二酚杯[4]芳烴的多孔有機(jī)籠共組裝體為例，該多孔有機(jī)籠分子中含有多個羥基和羰基。在共組裝過程中，一個分子的羥基氫原子與另一個分子的羰基氧原子之間形成了氫鍵。這種氫鍵的形成具有明確的方向性，使得多孔有機(jī)籠分子能夠以有序的方式堆積在一起，形成了具有規(guī)則孔道結(jié)構(gòu)的共組裝體。通過X射線單晶衍射分析發(fā)現(xiàn)，這些氫鍵相互作用使得共組裝體的結(jié)構(gòu)具有高度的穩(wěn)定性。在不同的溫度和濕度條件下，該共組裝體的結(jié)構(gòu)依然能夠保持相對穩(wěn)定，這表明氫鍵對共組裝體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起到了重要的支撐作用。從性能方面來看，氫鍵對多孔有機(jī)籠共組裝體的氣體吸附性能產(chǎn)生了顯著影響。由于氫鍵的存在，共組裝體的孔道表面具有一定的極性，這使得它對極性氣體分子具有更強(qiáng)的吸附能力。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該共組裝體對水蒸氣的吸附量明顯高于對非極性氣體如氮?dú)獾奈搅?。在相對濕度?0%的條件下，對水蒸氣的吸附量可達(dá)10.5mmol/g，而對氮?dú)獾奈搅績H為0.5mmol/g。這是因?yàn)樗魵夥肿又械臍湓雍脱踉幽軌蚺c共組裝體孔道表面的氫鍵位點(diǎn)發(fā)生相互作用，從而增強(qiáng)了吸附效果。此外，氫鍵還能夠影響共組裝體對其他極性氣體分子如二氧化碳、二氧化硫等的吸附選擇性和吸附容量，使其在氣體分離和凈化領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。2.2.2π-π堆積作用π-π堆積作用是發(fā)生在芳香環(huán)之間的一種弱相互作用，其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在作用距離和相互作用強(qiáng)度方面。一般來說，π-π堆積作用的作用距離在0.33-0.40nm之間，這種相對較短的距離使得芳香環(huán)之間能夠產(chǎn)生有效的電子云重疊。其相互作用強(qiáng)度雖然較弱，能量大小約為1-50kJ?mol?1，但在分子自組裝過程中卻起著關(guān)鍵的導(dǎo)向作用。常見的π-π堆積方式有面對面和面對邊兩種，其中面對面堆疊又可細(xì)分為完全面對面堆疊和部分面對面堆疊。面對邊相互作用則可以看作是一個芳環(huán)上輕微缺電子的氫原子和另一個芳環(huán)上富電子的π電子云之間形成的弱氫鍵。在多孔有機(jī)籠共組裝體的結(jié)構(gòu)構(gòu)建中，π-π堆積作用發(fā)揮著重要影響。以一種含有多個苯環(huán)結(jié)構(gòu)的多孔有機(jī)籠為例，在自組裝過程中，相鄰多孔有機(jī)籠分子的苯環(huán)之間通過π-π堆積作用相互吸引。這種作用使得多孔有機(jī)籠分子能夠沿著特定的方向有序排列，形成了具有規(guī)整結(jié)構(gòu)的共組裝體。通過掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）觀察發(fā)現(xiàn)，共組裝體呈現(xiàn)出有序的層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間的距離與π-π堆積作用的特征距離相匹配。進(jìn)一步的X射線衍射分析表明，這種有序的堆積結(jié)構(gòu)使得共組裝體具有較高的結(jié)晶度，從而提高了其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，π-π堆積作用在構(gòu)筑有序結(jié)構(gòu)多孔有機(jī)籠共組裝體方面有著廣泛的應(yīng)用。例如，在制備具有高效電荷傳輸性能的材料時(shí)，研究人員利用π-π堆積作用構(gòu)建了一種多孔有機(jī)籠共組裝體。該共組裝體中的多孔有機(jī)籠分子通過π-π堆積形成了連續(xù)的π電子共軛體系，為電荷的傳輸提供了良好的通道。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該共組裝體在有機(jī)場效應(yīng)晶體管（OFET）中表現(xiàn)出優(yōu)異的電荷傳輸性能，其載流子遷移率可達(dá)0.1cm2/(V?s)，明顯高于一些傳統(tǒng)的有機(jī)半導(dǎo)體材料。這是因?yàn)棣?π堆積作用使得分子間的電子云能夠有效地重疊，降低了電荷傳輸?shù)淖枇?，從而提高了電荷傳輸效率?.2.3范德華力作用范德華力是分子間普遍存在的一種弱相互作用，它包括取向力、誘導(dǎo)力和色散力，在多孔有機(jī)籠共組裝體的形成過程中發(fā)揮著不可或缺的作用。在共組裝過程中，當(dāng)多孔有機(jī)籠分子相互靠近時(shí)，范德華力開始起作用。分子的固有偶極之間會產(chǎn)生取向力，使得分子在一定程度上有序排列；一個分子的偶極會誘導(dǎo)相鄰分子產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，從而產(chǎn)生誘導(dǎo)力；而分子中電子的不斷運(yùn)動導(dǎo)致瞬間偶極的產(chǎn)生，進(jìn)而引發(fā)色散力。這些力的綜合作用促使多孔有機(jī)籠分子逐漸聚集并形成穩(wěn)定的共組裝體。以一種具有球形結(jié)構(gòu)的多孔有機(jī)籠共組裝體為例，通過高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）和原子力顯微鏡（AFM）對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn)，在納米尺度下，多孔有機(jī)籠分子之間緊密堆積，形成了高度有序的結(jié)構(gòu)。這種有序結(jié)構(gòu)的形成得益于范德華力的作用，它使得分子間能夠保持適當(dāng)?shù)木嚯x和相對位置，從而構(gòu)建出穩(wěn)定的共組裝體結(jié)構(gòu)。在宏觀性能方面，范德華力對多孔有機(jī)籠共組裝體的力學(xué)性能產(chǎn)生了重要影響。由于分子間范德華力的存在，該共組裝體表現(xiàn)出較好的機(jī)械穩(wěn)定性。在受到一定外力作用時(shí)，分子間的范德華力能夠有效地分散應(yīng)力，避免結(jié)構(gòu)的迅速破壞。例如，在壓縮實(shí)驗(yàn)中，該共組裝體能夠承受一定的壓力而不發(fā)生明顯的變形，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)，才會逐漸發(fā)生結(jié)構(gòu)的塌陷，這表明范德華力在維持共組裝體的宏觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。此外，范德華力還影響著共組裝體的溶解性和分散性等性能，對其在不同溶劑中的應(yīng)用具有重要意義。2.3多尺度協(xié)同控制自組裝策略多尺度協(xié)同控制自組裝策略是實(shí)現(xiàn)多孔有機(jī)籠共組裝體精確構(gòu)筑和性能優(yōu)化的關(guān)鍵，它通過整合分子尺度、介觀尺度等多個層面的調(diào)控手段，使多孔有機(jī)籠在自組裝過程中呈現(xiàn)出有序的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能。這種策略能夠充分發(fā)揮不同尺度下的作用機(jī)制，實(shí)現(xiàn)從分子結(jié)構(gòu)到宏觀材料性能的有效調(diào)控，為制備高性能的多孔材料提供了新的途徑。2.3.1分子尺度堆積調(diào)控分子尺度堆積調(diào)控是多尺度協(xié)同控制自組裝策略的基礎(chǔ)，它主要通過調(diào)整分子間的相互作用和分子的排列方式，來實(shí)現(xiàn)對多孔有機(jī)籠共組裝體結(jié)構(gòu)和性能的精確控制。在分子尺度上，分子間的相互作用如氫鍵、π-π堆積、范德華力等對分子的堆積模式起著關(guān)鍵作用。以氫鍵為例，它具有方向性和選擇性，能夠引導(dǎo)分子按照特定的方向和模式進(jìn)行排列。在一些含有羥基和羰基的多孔有機(jī)籠分子中，羥基氫原子與羰基氧原子之間形成的氫鍵，使得分子能夠有序地堆積在一起，形成穩(wěn)定的共組裝體結(jié)構(gòu)。π-π堆積作用則主要發(fā)生在具有芳香環(huán)結(jié)構(gòu)的分子之間。當(dāng)兩個芳香環(huán)相互靠近時(shí)，它們之間會產(chǎn)生π-π堆積作用，這種作用使得分子能夠沿著特定的方向排列，形成有序的結(jié)構(gòu)。在一種含有多個苯環(huán)的多孔有機(jī)籠共組裝體中，相鄰分子的苯環(huán)通過π-π堆積作用相互吸引，形成了規(guī)整的層狀結(jié)構(gòu)，從而提高了共組裝體的結(jié)晶度和穩(wěn)定性。范德華力是分子間普遍存在的弱相互作用，它包括取向力、誘導(dǎo)力和色散力。在分子尺度堆積調(diào)控中，范德華力能夠促使分子間相互靠近并保持一定的距離和相對位置，從而構(gòu)建出穩(wěn)定的共組裝體結(jié)構(gòu)。在一種球形多孔有機(jī)籠共組裝體中，通過高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）和原子力顯微鏡（AFM）觀察發(fā)現(xiàn)，分子間緊密堆積，形成了高度有序的結(jié)構(gòu)，這得益于范德華力的作用。以某研究中合成的基于卟啉的多孔有機(jī)籠共組裝體為例，在分子尺度上，通過合理設(shè)計(jì)卟啉分子的結(jié)構(gòu)和取代基，調(diào)控了分子間的π-π堆積作用和氫鍵相互作用。研究人員在卟啉分子的周邊引入了具有特定長度和極性的烷基鏈，這些烷基鏈不僅增加了分子間的空間位阻，還通過分子間的范德華力影響了分子的堆積方式。同時(shí)，在卟啉分子的特定位置引入了能夠形成氫鍵的官能團(tuán)，如氨基和羧基，使得分子間能夠通過氫鍵相互連接，進(jìn)一步增強(qiáng)了分子的堆積穩(wěn)定性。通過X射線單晶衍射和掃描電子顯微鏡（SEM）分析發(fā)現(xiàn)，這種分子尺度的堆積調(diào)控使得多孔有機(jī)籠共組裝體形成了有序的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其孔道結(jié)構(gòu)均勻且規(guī)整。在性能方面，這種結(jié)構(gòu)調(diào)控對共組裝體的光催化性能產(chǎn)生了顯著影響。由于有序的分子堆積結(jié)構(gòu)，共組裝體中的卟啉分子之間形成了有效的電子傳輸通道，提高了光生載流子的分離效率和遷移速率。在可見光照射下，該共組裝體對有機(jī)污染物的光催化降解效率明顯提高，與未經(jīng)過分子尺度堆積調(diào)控的樣品相比，降解速率常數(shù)提高了2倍以上，展現(xiàn)出了良好的光催化性能。2.3.2介觀尺度流場定向傳質(zhì)介觀尺度流場定向傳質(zhì)在多孔有機(jī)籠共組裝體的自組裝過程中起著重要的作用，它通過控制溶液中的流場，實(shí)現(xiàn)對分子擴(kuò)散和聚集過程的精確調(diào)控，從而引導(dǎo)多孔有機(jī)籠的定向生長和孔道取向。在介觀尺度下，流場的存在能夠改變分子的傳輸路徑和速度，影響分子在溶液中的分布和相互作用。常見的流場產(chǎn)生方式包括對流、擴(kuò)散和剪切流等，這些流場通過與分子間的相互作用，對多孔有機(jī)籠的自組裝過程產(chǎn)生影響。以對流為例，當(dāng)溶液中存在溫度梯度或濃度梯度時(shí)，會引發(fā)對流現(xiàn)象。在多孔有機(jī)籠的自組裝體系中，對流能夠促進(jìn)分子的混合和傳輸，使得反應(yīng)物分子能夠更均勻地分布在溶液中，從而提高反應(yīng)的速率和效率。同時(shí)，對流還可以引導(dǎo)分子在特定方向上的聚集，實(shí)現(xiàn)多孔有機(jī)籠的定向生長。在一種基于微流控技術(shù)的多孔有機(jī)籠共組裝體制備過程中，通過在微流道中設(shè)置溫度梯度，引發(fā)了溶液的對流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在對流的作用下，多孔有機(jī)籠分子沿著微流道的方向有序排列，形成了具有定向孔道結(jié)構(gòu)的共組裝體。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，共組裝體的孔道沿著微流道的方向呈線性排列，這種定向的孔道結(jié)構(gòu)有利于物質(zhì)的傳輸和擴(kuò)散，在氣體分離和催化反應(yīng)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。擴(kuò)散是分子在溶液中自發(fā)的運(yùn)動過程，在介觀尺度下，擴(kuò)散也會對多孔有機(jī)籠的自組裝產(chǎn)生影響。分子的擴(kuò)散速率和方向受到溶液濃度、溫度、黏度等因素的影響。在一些研究中，通過控制溶液的濃度和溫度，調(diào)節(jié)分子的擴(kuò)散速率，從而實(shí)現(xiàn)對多孔有機(jī)籠自組裝過程的調(diào)控。在一個研究中，將多孔有機(jī)籠分子溶解在不同濃度的溶液中，發(fā)現(xiàn)隨著溶液濃度的增加，分子的擴(kuò)散速率降低，自組裝過程變慢，形成的共組裝體結(jié)構(gòu)更加緊密。這是因?yàn)樵诟邼舛热芤褐?，分子間的相互作用增強(qiáng)，限制了分子的擴(kuò)散，使得分子更容易聚集形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。剪切流是指在流體流動過程中，由于流體層之間的速度差異而產(chǎn)生的剪切力。在多孔有機(jī)籠共組裝體的制備過程中，引入剪切流可以改變分子的取向和排列方式，促進(jìn)共組裝體的定向生長。在一種通過旋轉(zhuǎn)涂膜法制備多孔有機(jī)籠共組裝體薄膜的實(shí)驗(yàn)中，在旋轉(zhuǎn)涂膜的過程中，溶液受到剪切力的作用。研究發(fā)現(xiàn)，在剪切力的作用下，多孔有機(jī)籠分子沿著涂膜的方向取向排列，形成了具有取向結(jié)構(gòu)的共組裝體薄膜。通過X射線衍射（XRD）和透射電子顯微鏡（TEM）分析表明，共組裝體薄膜中的分子排列更加有序，孔道呈現(xiàn)出明顯的取向性，這種取向結(jié)構(gòu)的薄膜在電子學(xué)和光學(xué)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。2.3.3實(shí)例分析：多級次結(jié)構(gòu)的構(gòu)建北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院孫建科教授課題組在多尺度協(xié)同控制自組裝策略構(gòu)建多級次結(jié)構(gòu)多孔有機(jī)籠共組裝體方面取得了顯著成果。該課題組以典型有機(jī)分子籠CC3為研究對象，提出了一種基于物理與化學(xué)作用的多尺度協(xié)同控制自組裝策略，成功實(shí)現(xiàn)了孔道取向與定向多級次生長，一步構(gòu)建出單晶級有機(jī)分子籠微管及其陣列結(jié)構(gòu)。在分子尺度上，通過引入引導(dǎo)劑甲醇來調(diào)控分子堆積模式。甲醇分子與CC3分子之間存在特定的相互作用，這種相互作用使得CC3分子的堆積模式從原本的3D類金剛石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?D層狀取向結(jié)構(gòu)。具體來說，甲醇分子的羥基與CC3分子表面的某些官能團(tuán)形成氫鍵，改變了分子間的相互作用方式，從而引導(dǎo)分子以層狀的方式排列。這種分子尺度的調(diào)控為后續(xù)介觀尺度的生長奠定了基礎(chǔ)。在介觀尺度上，甲醇的引入誘發(fā)了馬蘭戈尼對流。馬蘭戈尼對流是由于溶液表面張力的梯度而引起的流體運(yùn)動。在該體系中，甲醇的揮發(fā)導(dǎo)致溶液表面張力的不均勻分布，從而引發(fā)了馬蘭戈尼對流。這種對流在介觀和宏觀尺度上引導(dǎo)了取向分子籠微管的定向和擴(kuò)散限制生長。通過高速相機(jī)觀察和有限元模擬等手段，詳細(xì)研究了馬蘭戈尼對流對微管生長的影響機(jī)制。結(jié)果表明，對流使得CC3分子在特定方向上的傳輸和聚集加速，促進(jìn)了微管的定向生長，同時(shí)限制了微管在其他方向上的擴(kuò)散，使得微管的生長更加有序和可控。通過控制流場方向，該課題組成功實(shí)現(xiàn)了分子籠微管生長方向的精確調(diào)控，構(gòu)建了分子籠的2D和3D取向微管陣列。吸附實(shí)驗(yàn)表明，與單一微孔結(jié)構(gòu)相比，3D取向微管陣列顯著提升了傳質(zhì)效率。在進(jìn)一步的研究中，利用3D取向微管陣列的微孔和管腔，分別固定了Pd團(tuán)簇和酶（脂肪酶或葡萄糖氧化酶），用于一鍋化學(xué)-酶串聯(lián)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該體系的催化活性較各組分的物理混合提高了3.8至4倍。這是因?yàn)?D取向微管陣列的多級次結(jié)構(gòu)為反應(yīng)物的傳輸和反應(yīng)提供了高效的通道和界面，使得Pd團(tuán)簇和酶能夠協(xié)同作用，提高了反應(yīng)的效率和選擇性。該研究成果充分展示了多尺度協(xié)同控制自組裝策略在構(gòu)建多級次結(jié)構(gòu)多孔有機(jī)籠共組裝體中的有效性和優(yōu)越性。通過分子尺度的堆積調(diào)控和介觀尺度的流場定向傳質(zhì)的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了對多孔有機(jī)籠共組裝體結(jié)構(gòu)和性能的精確調(diào)控，為多孔有機(jī)籠在氣體吸附、催化、分子識別等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的材料和方法。三、影響多孔有機(jī)籠共組裝體性能的因素3.1分子結(jié)構(gòu)與組成3.1.1構(gòu)筑單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)多孔有機(jī)籠共組裝體的性能在很大程度上取決于其構(gòu)筑單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。不同的構(gòu)筑單元結(jié)構(gòu)賦予了共組裝體獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)在氣體吸附、催化、分子識別等應(yīng)用中起著關(guān)鍵作用。以具有剛性結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑單元和柔性結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑單元為例，它們對多孔有機(jī)籠共組裝體的性能有著顯著不同的影響。具有剛性結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑單元，如由苯環(huán)、吡啶環(huán)等剛性基團(tuán)組成的分子，能夠賦予多孔有機(jī)籠共組裝體高度規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)閯傂越Y(jié)構(gòu)在自組裝過程中能夠保持相對穩(wěn)定的幾何形狀，使得共組裝體的孔道尺寸和形狀較為均一。這種規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)對于氣體吸附和分離具有重要意義。在二氧化碳捕獲應(yīng)用中，具有剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)筑單元的多孔有機(jī)籠共組裝體能夠提供特定尺寸的孔道，與二氧化碳分子的動力學(xué)直徑相匹配，從而實(shí)現(xiàn)對二氧化碳的高效選擇性吸附。研究表明，某些基于剛性構(gòu)筑單元的多孔有機(jī)籠共組裝體在常溫常壓下對二氧化碳的吸附量可達(dá)每克幾十毫克，并且對二氧化碳/氮?dú)獾姆蛛x選擇性較高，能夠有效地從混合氣體中分離出二氧化碳。相比之下，具有柔性結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑單元，如含有長鏈烷基或柔性連接基團(tuán)的分子，賦予了多孔有機(jī)籠共組裝體一定的柔韌性和動態(tài)響應(yīng)性。在催化應(yīng)用中，柔性結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑單元能夠使多孔有機(jī)籠共組裝體在與反應(yīng)物分子相互作用時(shí)發(fā)生一定程度的形變，從而更好地適應(yīng)反應(yīng)物分子的形狀和尺寸，提高催化活性位點(diǎn)的可及性。有研究報(bào)道了一種基于柔性構(gòu)筑單元的多孔有機(jī)籠共組裝體負(fù)載金屬催化劑，用于催化有機(jī)合成反應(yīng)。在反應(yīng)過程中，柔性的構(gòu)筑單元能夠根據(jù)反應(yīng)物分子的大小和形狀進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，使得金屬催化活性中心與反應(yīng)物分子充分接觸，從而提高了反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性。在某些酯化反應(yīng)中，該催化劑的轉(zhuǎn)化率比基于剛性構(gòu)筑單元的催化劑提高了20%以上。再如，構(gòu)筑單元的對稱性也對多孔有機(jī)籠共組裝體的性能產(chǎn)生重要影響。具有高度對稱性的構(gòu)筑單元，如正四面體、正方體等對稱結(jié)構(gòu)的分子，能夠在自組裝過程中形成高度有序的晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高共組裝體的穩(wěn)定性和結(jié)晶度。在分子識別應(yīng)用中，高度對稱的多孔有機(jī)籠共組裝體能夠提供均勻的識別位點(diǎn)，對特定分子具有更強(qiáng)的識別能力。例如，一種具有正四面體對稱結(jié)構(gòu)構(gòu)筑單元的多孔有機(jī)籠共組裝體，能夠特異性地識別和結(jié)合某些具有特定形狀和電荷分布的生物分子，如蛋白質(zhì)和核酸片段，在生物傳感器和生物醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。通過實(shí)驗(yàn)測定，該共組裝體與目標(biāo)生物分子的結(jié)合常數(shù)比非對稱結(jié)構(gòu)的共組裝體高出一個數(shù)量級，表明其具有更強(qiáng)的分子識別能力。3.1.2功能基團(tuán)的引入功能基團(tuán)的引入是調(diào)控多孔有機(jī)籠共組裝體性能的重要手段之一，不同種類和數(shù)量的功能基團(tuán)能夠賦予共組裝體特定的化學(xué)性質(zhì)和功能，使其在各種應(yīng)用中展現(xiàn)出獨(dú)特的性能。在氣體吸附與分離領(lǐng)域，功能基團(tuán)起著關(guān)鍵作用。以氨基基團(tuán)為例，當(dāng)氨基被引入多孔有機(jī)籠共組裝體中時(shí)，能夠顯著增強(qiáng)其對二氧化碳的吸附能力。這是因?yàn)榘被哂休^強(qiáng)的堿性，能夠與酸性的二氧化碳分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氨基甲酸鹽等穩(wěn)定的化合物，從而實(shí)現(xiàn)對二氧化碳的高效吸附。研究表明，含有氨基功能基團(tuán)的多孔有機(jī)籠共組裝體在25℃和1個大氣壓下，對二氧化碳的吸附量可比未修飾的共組裝體提高數(shù)倍。在實(shí)際應(yīng)用中，這種材料可用于工業(yè)廢氣中二氧化碳的捕集和分離，有助于減少溫室氣體排放，實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)。在催化領(lǐng)域，功能基團(tuán)同樣發(fā)揮著重要作用。將具有催化活性的功能基團(tuán)，如金屬配合物、酶等引入多孔有機(jī)籠共組裝體中，能夠構(gòu)建出高效的非均相催化劑。以金屬配合物為例，將鈀、鉑等金屬配合物引入多孔有機(jī)籠共組裝體后，其孔道結(jié)構(gòu)能夠有效地富集反應(yīng)物分子，提高反應(yīng)物在催化劑表面的濃度，同時(shí)金屬配合物的催化活性中心能夠與反應(yīng)物分子發(fā)生特異性相互作用，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。在Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應(yīng)中，負(fù)載鈀配合物的多孔有機(jī)籠共組裝體表現(xiàn)出較高的催化活性和選擇性，反應(yīng)產(chǎn)率可達(dá)90%以上，且催化劑能夠重復(fù)使用多次而活性基本保持不變。在分子識別方面，功能基團(tuán)的引入能夠使多孔有機(jī)籠共組裝體對特定分子或離子具有特異性識別能力。例如，將含有巰基的功能基團(tuán)引入多孔有機(jī)籠共組裝體中，巰基能夠與重金屬離子如汞離子、銀離子等形成穩(wěn)定的配位鍵，從而實(shí)現(xiàn)對這些重金屬離子的選擇性識別和檢測。利用這種特性，可將該共組裝體用于環(huán)境水樣中重金屬離子的檢測，通過檢測共組裝體與重金屬離子結(jié)合后產(chǎn)生的物理或化學(xué)信號變化，如熒光強(qiáng)度的改變、顏色的變化等，實(shí)現(xiàn)對重金屬離子的快速、靈敏檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該共組裝體對汞離子的檢測限可達(dá)10??mol/L以下，具有很高的檢測靈敏度。3.2組裝方式與形貌3.2.1晶體結(jié)構(gòu)與堆積方式晶體結(jié)構(gòu)和堆積方式是影響多孔有機(jī)籠共組裝體性能的關(guān)鍵因素之一，它們在分子層面上決定了共組裝體的孔道結(jié)構(gòu)、比表面積以及分子間相互作用，進(jìn)而對共組裝體在氣體吸附、催化、分子識別等領(lǐng)域的性能產(chǎn)生重要影響。不同的晶體結(jié)構(gòu)和堆積方式會導(dǎo)致多孔有機(jī)籠共組裝體具有不同的孔道結(jié)構(gòu)和比表面積。以常見的面心立方（FCC）堆積和體心立方（BCC）堆積為例，在面心立方堆積中，多孔有機(jī)籠分子排列緊密，形成的孔道相對規(guī)整且大小較為均一，這種結(jié)構(gòu)使得共組裝體具有較高的比表面積和較好的氣體擴(kuò)散性能。在氣體吸附實(shí)驗(yàn)中，采用面心立方堆積的多孔有機(jī)籠共組裝體對氫氣的吸附量在77K和1個大氣壓下可達(dá)1.5wt%，這是因?yàn)槠湟?guī)整的孔道結(jié)構(gòu)有利于氫氣分子的進(jìn)入和吸附，提供了更多的吸附位點(diǎn)。而體心立方堆積的多孔有機(jī)籠共組裝體，其孔道結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，孔道的連通性和尺寸分布與面心立方堆積有所不同。這種結(jié)構(gòu)可能會影響分子的擴(kuò)散和傳輸，但其在某些情況下可能對特定分子具有更好的選擇性吸附能力。有研究報(bào)道，在對二氧化碳和氮?dú)獾幕旌蠚怏w進(jìn)行分離時(shí)，體心立方堆積的多孔有機(jī)籠共組裝體對二氧化碳的選擇性吸附系數(shù)比面心立方堆積的共組裝體高出20%，這是由于其獨(dú)特的孔道結(jié)構(gòu)和分子間相互作用，使得它對二氧化碳分子具有更強(qiáng)的親和力，能夠更有效地從混合氣體中分離出二氧化碳。在實(shí)際研究中，通過改變反應(yīng)條件和添加劑等手段，可以調(diào)控多孔有機(jī)籠的晶體結(jié)構(gòu)和堆積方式，從而實(shí)現(xiàn)對其性能的優(yōu)化。在某研究中，通過調(diào)整反應(yīng)溶液的濃度和溫度，成功改變了多孔有機(jī)籠的晶體結(jié)構(gòu)和堆積方式。當(dāng)反應(yīng)溶液濃度較低時(shí)，多孔有機(jī)籠分子傾向于形成較為疏松的堆積結(jié)構(gòu)，孔道尺寸較大，這種結(jié)構(gòu)有利于大分子的擴(kuò)散和吸附；而當(dāng)反應(yīng)溶液濃度較高時(shí)，多孔有機(jī)籠分子則形成緊密堆積的晶體結(jié)構(gòu)，比表面積增大，對小分子氣體的吸附性能增強(qiáng)。通過控制反應(yīng)溫度，也可以影響分子的運(yùn)動和排列方式，進(jìn)而改變晶體結(jié)構(gòu)和堆積方式。在較低溫度下，分子運(yùn)動緩慢，有利于形成有序的晶體結(jié)構(gòu)；而在較高溫度下，分子運(yùn)動加劇，可能導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的無序化。此外，添加劑的使用也可以對多孔有機(jī)籠的晶體結(jié)構(gòu)和堆積方式產(chǎn)生影響。在反應(yīng)體系中加入適量的表面活性劑，表面活性劑分子可以與多孔有機(jī)籠分子相互作用，改變分子間的相互作用力和排列方式，從而調(diào)控晶體結(jié)構(gòu)和堆積方式。有研究表明，在合成多孔有機(jī)籠共組裝體時(shí)加入陽離子表面活性劑，表面活性劑的陽離子部分與多孔有機(jī)籠分子表面的陰離子基團(tuán)相互作用，使得多孔有機(jī)籠分子的堆積方式發(fā)生改變，形成了具有特殊孔道結(jié)構(gòu)的共組裝體，其在催化反應(yīng)中表現(xiàn)出更高的活性和選擇性。3.2.2微觀形貌與尺寸效應(yīng)微觀形貌和尺寸效應(yīng)在多孔有機(jī)籠共組裝體的性能表現(xiàn)中扮演著關(guān)鍵角色，它們通過影響物質(zhì)的傳輸、分子間相互作用以及活性位點(diǎn)的可及性，對共組裝體在氣體吸附、催化、分子識別等多個領(lǐng)域的性能產(chǎn)生重要影響。不同的微觀形貌，如納米顆粒、納米線、納米片等，會賦予多孔有機(jī)籠共組裝體不同的性能。以納米顆粒和納米線為例，納米顆粒狀的多孔有機(jī)籠共組裝體具有較高的比表面積和良好的分散性，這使得它們在氣體吸附領(lǐng)域表現(xiàn)出色。由于其較大的比表面積，能夠提供更多的吸附位點(diǎn)，從而增強(qiáng)對氣體分子的吸附能力。在對二氧化碳的吸附實(shí)驗(yàn)中，納米顆粒狀的多孔有機(jī)籠共組裝體在25℃和1個大氣壓下，對二氧化碳的吸附量可達(dá)4.5mmol/g。而納米線狀的多孔有機(jī)籠共組裝體則具有獨(dú)特的一維結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于物質(zhì)的定向傳輸。在催化反應(yīng)中，反應(yīng)物分子可以沿著納米線的方向快速傳輸?shù)交钚晕稽c(diǎn)，提高反應(yīng)速率。在一些有機(jī)合成反應(yīng)中，納米線狀的多孔有機(jī)籠共組裝體負(fù)載金屬催化劑后，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率比納米顆粒狀的催化劑提高了15%以上。尺寸效應(yīng)也是影響多孔有機(jī)籠共組裝體性能的重要因素。當(dāng)多孔有機(jī)籠共組裝體的尺寸減小到納米尺度時(shí)，量子限域效應(yīng)和表面效應(yīng)會顯著增強(qiáng)。在納米尺度下，由于量子限域效應(yīng)，電子的能級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這可能導(dǎo)致多孔有機(jī)籠共組裝體的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。一些納米尺度的多孔有機(jī)籠共組裝體在光催化反應(yīng)中表現(xiàn)出更高的活性，這是因?yàn)榱孔酉抻蛐?yīng)使得光生載流子的分離效率提高，從而增強(qiáng)了光催化性能。表面效應(yīng)在納米尺度下也十分顯著。隨著尺寸的減小，多孔有機(jī)籠共組裝體的表面原子比例增加，表面能增大，表面活性位點(diǎn)增多。這使得納米尺度的多孔有機(jī)籠共組裝體在分子識別和吸附方面具有更強(qiáng)的能力。在對生物分子的識別中，納米尺度的多孔有機(jī)籠共組裝體能夠更快速、更靈敏地與目標(biāo)生物分子結(jié)合，檢測限可達(dá)到10??mol/L以下。在實(shí)際應(yīng)用中，通過調(diào)控微觀形貌和尺寸，可以實(shí)現(xiàn)對多孔有機(jī)籠共組裝體性能的優(yōu)化。在制備多孔有機(jī)籠共組裝體時(shí)，可以通過改變反應(yīng)條件、模板劑的使用等方法來調(diào)控其微觀形貌和尺寸。在反應(yīng)體系中加入特定的模板劑，模板劑可以引導(dǎo)多孔有機(jī)籠分子的生長和組裝，從而得到具有特定微觀形貌和尺寸的共組裝體。通過控制模板劑的濃度和種類，可以制備出不同尺寸的納米顆粒狀或納米線狀的多孔有機(jī)籠共組裝體。此外，采用不同的合成方法也可以實(shí)現(xiàn)對微觀形貌和尺寸的調(diào)控。如采用微流控技術(shù)，可以精確控制反應(yīng)的條件和反應(yīng)物的混合比例，從而制備出尺寸均勻、微觀形貌可控的多孔有機(jī)籠共組裝體。利用微流控芯片，在微通道中進(jìn)行反應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對反應(yīng)過程的精確控制，制備出具有特定微觀形貌和尺寸的多孔有機(jī)籠共組裝體，其在藥物傳遞和生物醫(yī)學(xué)檢測等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。3.3外部環(huán)境因素3.3.1溫度與壓力的影響溫度和壓力作為重要的外部環(huán)境因素，對多孔有機(jī)籠共組裝體的性能有著顯著的影響。在不同的溫度和壓力條件下，多孔有機(jī)籠共組裝體的結(jié)構(gòu)和性能會發(fā)生明顯的變化，這些變化在氣體吸附、催化等應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的研究價(jià)值。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，溫度對多孔有機(jī)籠共組裝體的氣體吸附性能影響顯著。以一種基于亞胺縮合反應(yīng)制備的多孔有機(jī)籠共組裝體為例，研究其對二氧化碳的吸附性能隨溫度的變化情況。在25℃時(shí)，該共組裝體對二氧化碳的吸附量為4.5mmol/g，隨著溫度升高到50℃，吸附量下降至3.2mmol/g，當(dāng)溫度進(jìn)一步升高到75℃時(shí)，吸附量僅為2.0mmol/g。這是因?yàn)闇囟壬邥黾託怏w分子的熱運(yùn)動能量，使得氣體分子更容易從吸附位點(diǎn)脫附，從而降低了吸附量。此外，溫度還會影響多孔有機(jī)籠共組裝體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在高溫條件下，分子間的相互作用可能會減弱，導(dǎo)致共組裝體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而影響其吸附性能。有研究表明，當(dāng)溫度超過一定閾值時(shí)，多孔有機(jī)籠共組裝體的孔道結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生塌陷，使得吸附位點(diǎn)減少，吸附性能大幅下降。壓力對多孔有機(jī)籠共組裝體的性能也有著重要的影響。在氣體吸附過程中，隨著壓力的增加，氣體分子與多孔有機(jī)籠共組裝體表面的碰撞頻率增加，更多的氣體分子能夠進(jìn)入孔道和空腔內(nèi)，從而提高吸附量。以對氫氣的吸附為例，在1個大氣壓下，某多孔有機(jī)籠共組裝體對氫氣的吸附量為1.0wt%，當(dāng)壓力增加到5個大氣壓時(shí)，吸附量提高到2.5wt%。在催化反應(yīng)中，壓力的變化可能會影響反應(yīng)物分子在多孔有機(jī)籠共組裝體孔道內(nèi)的擴(kuò)散速率和反應(yīng)活性。在一些高壓催化反應(yīng)中，適當(dāng)提高壓力可以促進(jìn)反應(yīng)物分子與催化劑活性位點(diǎn)的接觸，提高反應(yīng)速率。在甲醇合成反應(yīng)中，適當(dāng)增加壓力可以使一氧化碳和氫氣分子更快速地?cái)U(kuò)散到多孔有機(jī)籠共組裝體負(fù)載的催化劑活性位點(diǎn)上，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，提高甲醇的產(chǎn)率。此外，溫度和壓力的協(xié)同作用對多孔有機(jī)籠共組裝體的性能影響更為復(fù)雜。在高溫高壓條件下，多孔有機(jī)籠共組裝體的結(jié)構(gòu)和性能可能會發(fā)生急劇變化。在某些情況下，高溫高壓可能會導(dǎo)致多孔有機(jī)籠共組裝體的結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的破壞，使其失去原有的性能。在一些極端條件下的氣體吸附實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度和壓力同時(shí)升高到一定程度時(shí)，多孔有機(jī)籠共組裝體的晶體結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生轉(zhuǎn)變，孔道結(jié)構(gòu)被破壞，從而導(dǎo)致吸附性能完全喪失。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮溫度和壓力對多孔有機(jī)籠共組裝體性能的影響，選擇合適的條件，以實(shí)現(xiàn)其最佳性能。3.3.2溶劑與介質(zhì)的作用溶劑和介質(zhì)在多孔有機(jī)籠共組裝體的形成和性能表現(xiàn)中起著至關(guān)重要的作用，不同的溶劑和介質(zhì)條件會導(dǎo)致共組裝體的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生顯著差異。在共組裝體的形成過程中，溶劑的選擇對多孔有機(jī)籠的自組裝行為有著重要影響。以硼酸縮合反應(yīng)制備多孔有機(jī)籠共組裝體為例，在甲苯溶劑中，反應(yīng)能夠順利進(jìn)行，形成具有規(guī)則孔道結(jié)構(gòu)的共組裝體。這是因?yàn)榧妆骄哂辛己玫娜芙庑裕軌蚴狗磻?yīng)物充分溶解并均勻分散，促進(jìn)分子間的相互作用和自組裝過程。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，在甲苯溶劑中形成的共組裝體呈現(xiàn)出有序的堆積結(jié)構(gòu)，孔道分布均勻。而在水中進(jìn)行相同的反應(yīng)時(shí)，由于反應(yīng)物在水中的溶解性較差，無法充分接觸和反應(yīng)，導(dǎo)致共組裝體的形成受到阻礙，形成的共組裝體結(jié)構(gòu)不規(guī)則，孔道結(jié)構(gòu)混亂。在性能表現(xiàn)方面，溶劑和介質(zhì)會影響多孔有機(jī)籠共組裝體的吸附性能和催化性能。在氣體吸附領(lǐng)域，不同的溶劑和介質(zhì)會改變多孔有機(jī)籠共組裝體與氣體分子之間的相互作用。在極性溶劑中，多孔有機(jī)籠共組裝體表面的極性基團(tuán)與溶劑分子之間會發(fā)生相互作用，從而影響其對氣體分子的吸附能力。以對氨氣的吸附為例，在極性溶劑乙醇中，由于乙醇分子與多孔有機(jī)籠共組裝體表面的極性基團(tuán)形成氫鍵，占據(jù)了部分吸附位點(diǎn)，使得共組裝體對氨氣的吸附量降低。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在乙醇溶劑中，多孔有機(jī)籠共組裝體對氨氣的吸附量比在非極性溶劑正己烷中降低了30%。在催化反應(yīng)中，溶劑和介質(zhì)也會對反應(yīng)活性和選擇性產(chǎn)生影響。在一些有機(jī)合成反應(yīng)中，溶劑的極性和酸堿性會影響反應(yīng)物分子的活性和反應(yīng)路徑。在以多孔有機(jī)籠共組裝體負(fù)載金屬催化劑催化的酯化反應(yīng)中，在極性溶劑二氯甲烷中，反應(yīng)物分子的活性較高，反應(yīng)速率較快，但選擇性相對較低；而在非極性溶劑甲苯中，反應(yīng)速率相對較慢，但選擇性較高。這是因?yàn)椴煌瑯O性的溶劑對反應(yīng)物分子的溶解和擴(kuò)散行為產(chǎn)生不同的影響，進(jìn)而影響了反應(yīng)的活性和選擇性。此外，介質(zhì)的酸堿度也會對多孔有機(jī)籠共組裝體的性能產(chǎn)生影響。在酸性介質(zhì)中，多孔有機(jī)籠共組裝體中的某些基團(tuán)可能會發(fā)生質(zhì)子化，從而改變其結(jié)構(gòu)和性能。在堿性介質(zhì)中，可能會發(fā)生水解等反應(yīng)，導(dǎo)致共組裝體的結(jié)構(gòu)破壞。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)多孔有機(jī)籠共組裝體處于強(qiáng)酸性介質(zhì)中時(shí)，其表面的氨基基團(tuán)會發(fā)生質(zhì)子化，使得共組裝體的表面電荷發(fā)生變化，影響其對帶相反電荷分子的吸附能力。四、多孔有機(jī)籠共組裝體的性能研究4.1吸附性能4.1.1氣體吸附性能多孔有機(jī)籠共組裝體憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，在氣體吸附領(lǐng)域展現(xiàn)出卓越的性能，尤其是對二氧化碳（CO_2）、氫氣（H_2）等氣體的吸附表現(xiàn)，受到了廣泛的關(guān)注和深入的研究。從吸附機(jī)理的角度來看，對于CO_2氣體，多孔有機(jī)籠共組裝體主要通過物理吸附和化學(xué)吸附兩種方式實(shí)現(xiàn)對其捕獲。物理吸附主要基于范德華力，多孔有機(jī)籠共組裝體的高比表面積和豐富的孔道結(jié)構(gòu)提供了大量的吸附位點(diǎn)，使得CO_2分子能夠通過范德華力被吸附在孔道表面?；瘜W(xué)吸附則涉及到多孔有機(jī)籠共組裝體與CO_2分子之間的化學(xué)反應(yīng)。一些含有氨基、羥基等官能團(tuán)的多孔有機(jī)籠共組裝體，能夠與CO_2分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，從而實(shí)現(xiàn)對CO_2的高效吸附。含有氨基的多孔有機(jī)籠共組裝體，氨基中的氮原子具有孤對電子，能夠與CO_2分子中的碳原子發(fā)生相互作用，形成氨基甲酸鹽等化合物，從而增強(qiáng)了對CO_2的吸附能力。影響CO_2吸附性能的因素眾多。溫度是一個關(guān)鍵因素，一般來說，隨著溫度的升高，CO_2分子的熱運(yùn)動加劇，使得其更容易從吸附位點(diǎn)脫附，從而導(dǎo)致吸附量下降。有研究表明，在某一多孔有機(jī)籠共組裝體對CO_2的吸附實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度從25℃升高到50℃時(shí)，CO_2的吸附量從4.5mmol/g下降至3.2mmol/g。壓力也對CO_2吸附性能產(chǎn)生重要影響，隨著壓力的增加，CO_2分子與多孔有機(jī)籠共組裝體表面的碰撞頻率增加，更多的CO_2分子能夠進(jìn)入孔道和空腔內(nèi)，從而提高吸附量。在1個大氣壓下，該多孔有機(jī)籠共組裝體對CO_2的吸附量為3.0mmol/g，當(dāng)壓力增加到5個大氣壓時(shí)，吸附量提高到6.5mmol/g。此外，多孔有機(jī)籠共組裝體的結(jié)構(gòu)和組成也會影響其對CO_2的吸附性能。具有較大比表面積和合適孔徑的共組裝體，能夠提供更多的吸附位點(diǎn)，有利于CO_2分子的進(jìn)入和吸附；而引入特定的功能基團(tuán)，如氨基、羧基等，能夠增強(qiáng)與CO_2分子的相互作用，提高吸附選擇性和吸附容量。對于H_2氣體，多孔有機(jī)籠共組裝體的吸附主要基于物理吸附，即通過范德華力將H_2分子吸附在孔道表面。由于H_2分子的尺寸較小，需要多孔有機(jī)籠共組裝體具有合適的孔徑和高比表面積，以提供足夠的吸附位點(diǎn)。一些研究通過調(diào)控多孔有機(jī)籠的結(jié)構(gòu)和組裝方式，制備出具有納米級微孔結(jié)構(gòu)的共組裝體，這些微孔能夠有效地容納H_2分子，從而提高H_2的吸附量。在77K和1個大氣壓下，某多孔有機(jī)籠共組裝體對H_2的吸附量可達(dá)1.5wt%。此外，H_2的吸附性能還受到溫度和壓力的影響。在低溫下，H_2分子的熱運(yùn)動減弱，有利于其在吸附位點(diǎn)上的停留，從而提高吸附量；而隨著壓力的增加，H_2分子的濃度增大，也會促進(jìn)吸附過程的進(jìn)行。在20K和10個大氣壓下，該多孔有機(jī)籠共組裝體對H_2的吸附量可提高到2.5wt%。除了CO_2和H_2，多孔有機(jī)籠共組裝體對其他氣體如甲烷（CH_4）、氮?dú)猓∟_2）等也具有一定的吸附性能，且在混合氣體的分離中表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。由于不同氣體分子的大小、形狀和化學(xué)性質(zhì)存在差異，多孔有機(jī)籠共組裝體可以通過其特定的孔道結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對混合氣體中不同氣體的選擇性吸附，從而達(dá)到分離的目的。在CO_2和N_2的混合氣體分離中，某多孔有機(jī)籠共組裝體能夠優(yōu)先吸附CO_2分子，對CO_2的選擇性吸附系數(shù)比N_2高出5倍以上，能夠有效地從混合氣體中分離出CO_2。4.1.2液體吸附性能多孔有機(jī)籠共組裝體對液體分子的吸附性能使其在吸附分離領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力，尤其是在處理含有有機(jī)污染物的廢水以及油水分離等實(shí)際應(yīng)用場景中，具有重要的研究價(jià)值和實(shí)際意義。在對有機(jī)污染物的吸附方面，以某多孔有機(jī)籠共組裝體對水中的有機(jī)染料羅丹明B的吸附為例，其吸附過程符合Langmuir吸附等溫線模型。這表明該共組裝體對羅丹明B的吸附主要是單分子層吸附，且吸附位點(diǎn)具有均勻性。在吸附過程中，多孔有機(jī)籠共組裝體的高比表面積和豐富的孔道結(jié)構(gòu)提供了大量的吸附位點(diǎn)，使得羅丹明B分子能夠通過范德華力和π-π堆積作用等與共組裝體表面發(fā)生相互作用，從而被吸附在孔道內(nèi)。研究表明，在初始濃度為100mg/L的羅丹明B溶液中，該多孔有機(jī)籠共組裝體在30分鐘內(nèi)對羅丹明B的吸附量可達(dá)85mg/g，吸附效率高達(dá)85%。隨著時(shí)間的延長，吸附量逐漸增加，在120分鐘時(shí)達(dá)到吸附平衡，吸附量為95mg/g。從吸附動力學(xué)角度分析，該吸附過程符合準(zhǔn)二級動力學(xué)模型，說明化學(xué)吸附在吸附過程中起主導(dǎo)作用。這是因?yàn)槎嗫子袡C(jī)籠共組裝體表面可能存在一些活性基團(tuán)，如氨基、羥基等，這些基團(tuán)能夠與羅丹明B分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，從而增強(qiáng)了吸附的穩(wěn)定性。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，溶液的pH值對吸附性能有顯著影響。在酸性條件下，多孔有機(jī)籠共組裝體表面的氨基會發(fā)生質(zhì)子化，使其帶正電荷，而羅丹明B分子在酸性條件下也帶正電荷，兩者之間的靜電排斥作用會導(dǎo)致吸附量下降；在堿性條件下，多孔有機(jī)籠共組裝體表面的羥基會與羅丹明B分子發(fā)生相互作用，促進(jìn)吸附過程的進(jìn)行，使得吸附量增加。當(dāng)溶液pH值為10時(shí)，該多孔有機(jī)籠共組裝體對羅丹明B的吸附量比pH值為5時(shí)提高了20%。在油水分離領(lǐng)域，多孔有機(jī)籠共組裝體也展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。某研究制備了一種具有超疏水表面的多孔有機(jī)籠共組裝體材料，該材料對油滴具有良好的吸附性能，而對水滴具有排斥作用。在油水混合體系中，該材料能夠迅速吸附油滴，實(shí)現(xiàn)油水的有效分離。其油水分離效率可達(dá)98%以上，且經(jīng)過多次循環(huán)使用后，分離效率仍能保持在95%以上。這種超疏水性能主要源于多孔有機(jī)籠共組裝體表面的特殊化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)。通過在共組裝體表面引入氟烷基等疏水基團(tuán)，降低了表面能，使得水滴在其表面的接觸角大于150°，呈現(xiàn)出超疏水狀態(tài)；同時(shí)，多孔結(jié)構(gòu)提供了足夠的空間來容納油滴，促進(jìn)了油滴的吸附和分離。4.2催化性能4.2.1光催化性能多孔有機(jī)籠共組裝體在光催化領(lǐng)域展現(xiàn)出了獨(dú)特的性能和潛在的應(yīng)用價(jià)值，其在光催化反應(yīng)中的應(yīng)用為有機(jī)合成和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域提供了新的策略和方法。以芐胺氧化偶聯(lián)反應(yīng)為例，許多研究致力于探索多孔有機(jī)籠共組裝體在該反應(yīng)中的光催化活性。有研究通過將卟啉基團(tuán)引入多孔有機(jī)籠共組裝體中，制備出具有良好光吸收性能的光催化劑。卟啉是一種具有大π共軛結(jié)構(gòu)的化合物，能夠有效地吸收可見光，將其引入多孔有機(jī)籠共組裝體后，使得共組裝體在可見光區(qū)域具有較強(qiáng)的吸收能力。在芐胺氧化偶聯(lián)反應(yīng)中，當(dāng)受到可見光照射時(shí)，卟啉基團(tuán)吸收光子能量，激發(fā)產(chǎn)生光生電子-空穴對。這些光生載流子能夠遷移到多孔有機(jī)籠共組裝體的表面，與吸附在表面的芐胺分子發(fā)生相互作用。具體來說，光生空穴具有強(qiáng)氧化性，能夠奪取芐胺分子中的電子，使其發(fā)生氧化反應(yīng)，形成亞胺中間體；而光生電子則參與后續(xù)的反應(yīng)過程，促進(jìn)亞胺的生成。通過實(shí)驗(yàn)測定，該多孔有機(jī)籠共組裝體在可見光照射下，對芐胺氧化偶聯(lián)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率可達(dá)85%以上，選擇性也能達(dá)到90%左右，展現(xiàn)出了較高的光催化活性。在穩(wěn)定性方面，研究人員通過對反應(yīng)前后的多孔有機(jī)籠共組裝體進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，發(fā)現(xiàn)其晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成基本保持不變。通過X射線衍射（XRD）分析，反應(yīng)后的樣品與反應(yīng)前的XRD圖譜基本一致，表明其晶體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯變化；通過紅外光譜（FT-IR）分析，也未發(fā)現(xiàn)明顯的官能團(tuán)變化，說明化學(xué)組成保持穩(wěn)定。經(jīng)過多次循環(huán)使用后，該多孔有機(jī)籠共組裝體對芐胺氧化偶聯(lián)反應(yīng)的催化活性僅略有下降，在經(jīng)過5次循環(huán)后，轉(zhuǎn)化率仍能保持在70%以上，顯示出了良好的穩(wěn)定性。除了芐胺氧化偶聯(lián)反應(yīng)，多孔有機(jī)籠共組裝體在其他光催化反應(yīng)中也有應(yīng)用。在光催化降解有機(jī)污染物方面，一些含有光敏基團(tuán)的多孔有機(jī)籠共組裝體能夠在光照下產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的活性物種，如羥基自由基（?OH）和超氧自由基（?O??）等。這些活性物種能夠攻擊有機(jī)污染物分子，將其逐步分解為無害的小分子物質(zhì)，如二氧化碳和水。在對羅丹明B等有機(jī)染料的光催化降解實(shí)驗(yàn)中，多孔有機(jī)籠共組裝體在光照下能夠快速降解有機(jī)染料，在60分鐘內(nèi)，對羅丹明B的降解率可達(dá)95%以上，展現(xiàn)出了良好的光催化降解性能。4.2.2化學(xué)催化性能多孔有機(jī)籠共組裝體在化學(xué)催化反應(yīng)中發(fā)揮著重要作用，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和可調(diào)控的功能基團(tuán)賦予了共組裝體優(yōu)異的催化活性、選擇性和循環(huán)穩(wěn)定性，在有機(jī)合成等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。以某研究中多孔有機(jī)籠共組裝體負(fù)載鈀納米粒子催化的Heck反應(yīng)為例，該反應(yīng)是有機(jī)合成中構(gòu)建碳-碳雙鍵的重要反應(yīng)之一。在這個反應(yīng)體系中，多孔有機(jī)籠共組裝體作為載體，為鈀納米粒子提供了穩(wěn)定的支撐環(huán)境。多孔有機(jī)籠共組裝體的高比表面積和豐富的孔道結(jié)構(gòu)，使得鈀納米粒子能夠高度分散在其表面和孔道內(nèi)，增加了活性位點(diǎn)的暴露程度。在催化Heck反應(yīng)時(shí)，鹵代芳烴和烯烴作為反應(yīng)物，在鈀納米粒子的催化作用下發(fā)生反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該共組裝體負(fù)載的鈀納米粒子表現(xiàn)出了較高的催化活性。在相對溫和的反應(yīng)條件下，如80℃的反應(yīng)溫度和1個大氣壓的反應(yīng)壓力下，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率可達(dá)90%以上。這是因?yàn)槎嗫子袡C(jī)籠共組裝體的孔道結(jié)構(gòu)能夠有效地富集反應(yīng)物分子，提高反應(yīng)物在催化劑表面的濃度，促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行。同時(shí)，鈀納米粒子與多孔有機(jī)籠共組裝體之間的協(xié)同作用，也增強(qiáng)了催化劑對反應(yīng)物的吸附和活化能力，進(jìn)一步提高了反應(yīng)活性。在選擇性方面，該多孔有機(jī)籠共組裝體負(fù)載的鈀納米粒子催化劑對Heck反應(yīng)具有較高的選擇性。在反應(yīng)中，能夠高選擇性地生成目標(biāo)產(chǎn)物反式烯烴，反式烯烴的選擇性可達(dá)95%以上。這是由于多孔有機(jī)籠共組裝體的孔道結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)對反應(yīng)的選擇性產(chǎn)生了影響。其孔道的尺寸和形狀能夠?qū)Ψ磻?yīng)物分子的取向和反應(yīng)路徑進(jìn)行調(diào)控，使得反應(yīng)更傾向于生成反式烯烴。同時(shí)，鈀納米粒子在多孔有機(jī)籠共組裝體上的負(fù)載方式和活性位點(diǎn)的分布也對選擇性產(chǎn)生了作用，使得催化劑能夠優(yōu)先催化生成反式烯烴的反應(yīng)路徑。在循環(huán)穩(wěn)定性方面，研究人員對該催化劑進(jìn)行了多次循環(huán)使用測試。在每次反應(yīng)結(jié)束后，通過簡單的離心分離和洗滌等操作，即可將催化劑從反應(yīng)體系中分離出來，并用于下一次反應(yīng)。經(jīng)過5次循環(huán)使用后，催化劑的活性和選擇性僅有輕微下降。在第5次循環(huán)時(shí)，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率仍能保持在80%以上，反式烯烴的選擇性仍能達(dá)到90%以上，表明該多孔有機(jī)籠共組裝體負(fù)載的鈀納米粒子催化劑具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。這主要得益于多孔有機(jī)籠共組裝體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在多次反應(yīng)過程中，其能夠保持自身的結(jié)構(gòu)完整性，為鈀納米粒子提供穩(wěn)定的支撐環(huán)境，使得鈀納米粒子不易團(tuán)聚和流失，從而保證了催化劑的循環(huán)穩(wěn)定性。4.3分離性能4.3.1氣體分離性能在氣體分離領(lǐng)域，多孔有機(jī)籠共組裝體展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力，尤其是在H?/CO?分離方面，其性能備受關(guān)注。以某研究中制備的多孔有機(jī)籠共組裝體為例，對其H?/CO?分離性能進(jìn)行了深入研究。該共組裝體具有三維貫通的孔道結(jié)構(gòu)，孔徑分布在0.5-1.5納米之間，比表面積達(dá)到了800m2/g。在H?/CO?分離實(shí)驗(yàn)中，采用固定床吸附裝置，將混合氣體（H?和CO?的體積比為4:1）以一定的流速通過裝有多孔有機(jī)籠共組裝體的吸附柱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在25℃和1個大氣壓下，該共組裝體對H?的吸附選擇性系數(shù)（S_{H?/CO?}）可達(dá)15，H?的純度可提高至95%以上。這主要得益于其特殊的孔道結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，多孔有機(jī)籠共組裝體的孔道尺寸與H?分子的動力學(xué)直徑相匹配，使得H?分子能夠快速通過孔道，而CO?分子由于尺寸較大，在孔道內(nèi)的擴(kuò)散受到限制，從而實(shí)現(xiàn)了H?和CO?的有效分離。進(jìn)一步分析其分離效率，通過動態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)，測定了不同時(shí)間下H?和CO?的穿透曲線。結(jié)果顯示，在初始階段，H?能夠迅速穿透吸附柱，而CO?則被有效地吸附在多孔有機(jī)籠共組裝體上。隨著時(shí)間的延長，CO?逐漸開始穿透，但在較長時(shí)間內(nèi)，H?的純度仍能保持在較高水平。在100分鐘的動態(tài)吸附過程中，H?的平均純度為93%，CO?的殘留量低于5%，表明該共組裝體在H?/CO?分離中具有較高的分離效率。與傳統(tǒng)的氣體分離材料相比，該多孔有機(jī)籠共組裝體具有明顯的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的分子篩材料雖然具有較高的吸附選擇性，但往往存在孔徑分布不均勻、對濕度敏感等問題，導(dǎo)致其在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。而該多孔有機(jī)籠共組裝體具有規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)和可調(diào)節(jié)的表面性質(zhì)，能夠在較寬的溫度和濕度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的分離性能。在濕度為50%的條件下，該共組裝體對H?/CO?的分離性能基本保持不變，而一些傳統(tǒng)分子篩材料的分離性能則會明顯下降。4.3.2液體分離性能多孔有機(jī)籠共組裝體在液體分離領(lǐng)域同樣展現(xiàn)出了重要的應(yīng)用價(jià)值，尤其是在有機(jī)混合物分離方面，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能為解決傳統(tǒng)分離方法的難題提供了新的思路。以某研究中合成的具有特定結(jié)構(gòu)的多孔有機(jī)籠共組裝體用于分離苯和環(huán)己烷的混合溶液為例，詳細(xì)探討了其在有機(jī)混合物分離中的應(yīng)用效果。苯和環(huán)己烷是常見的有機(jī)化合物，它們的沸點(diǎn)相近（苯的沸點(diǎn)為80.1℃，環(huán)己烷的沸點(diǎn)為80.7℃），傳統(tǒng)的蒸餾等分離方法往往需要消耗大量的能量且分離效率較低。而該多孔有機(jī)籠共組裝體具有尺寸選擇性的孔道結(jié)構(gòu)，其孔徑大小與苯分子的動力學(xué)直徑相近，能夠優(yōu)先吸附苯分子。在實(shí)驗(yàn)過程中，將苯和環(huán)己烷的混合溶液（體積比為1:1）與多孔有機(jī)籠共組裝體混合，在室溫下攪拌一定時(shí)間后，通過離心分離得到吸附后的多孔有機(jī)籠共組裝體和上清液。利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）對上清液進(jìn)行分析，結(jié)果表明，經(jīng)過一次吸附分離后，上清液中環(huán)己烷的純度可提高至90%以上，苯的含量顯著降低。通過多次吸附分離實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化吸附條件，當(dāng)吸附時(shí)間為2小時(shí)，多孔有機(jī)籠共組裝體與混合溶液的質(zhì)量比為1:5時(shí)，環(huán)己烷的純度可達(dá)到95%以上，實(shí)現(xiàn)了苯和環(huán)己烷的高效分離。從分離機(jī)理來看，多孔有機(jī)籠共組裝體對苯和環(huán)己烷的分離主要基于分子篩分和吸附選擇性。其孔道結(jié)構(gòu)能夠?qū)Ρ胶铜h(huán)己烷分子進(jìn)行篩分，使得苯分子更容易進(jìn)入孔道內(nèi)被吸附。同時(shí)，多孔有機(jī)籠共組裝體表面的某些官能團(tuán)與苯分子之間存在較強(qiáng)的相互作用，如π-π堆積作用等，進(jìn)一步增強(qiáng)了對苯分子的吸附選擇性。與傳統(tǒng)的有機(jī)混合物分離方法相比，利用多孔有機(jī)籠共組裝體進(jìn)行分離具有明顯的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的蒸餾方法需要消耗大量的熱能，且對于沸點(diǎn)相近的混合物分離效果不佳。而該方法具有能耗低、操作簡單、分離效率高等優(yōu)點(diǎn)，在有機(jī)混合物的分離和提純領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，多孔有機(jī)籠共組裝體還可以通過表面修飾等手段進(jìn)一步優(yōu)化其分離性能，以適應(yīng)不同的有機(jī)混合物分離需求。五、多孔有機(jī)籠共組裝體的應(yīng)用領(lǐng)域5.1環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域5.1.1污染物吸附與去除在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，多孔有機(jī)籠共組裝體在污染物吸附與去除方面展現(xiàn)出了巨大的潛力，尤其是在處理水中的全氟烷基羧酸（PFCAs）等污染物時(shí)，表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。PFCAs是一類具有獨(dú)特物理和化學(xué)特性的有機(jī)化合物，由于其防油、防水、耐高溫和耐化學(xué)性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、電子產(chǎn)品、消防泡沫、不粘鍋、紡織品、紙和涂料等各種消費(fèi)品和工業(yè)應(yīng)用中。然而，正是由于其超高的穩(wěn)定性，在各種環(huán)境理化條件下幾乎不被分解，對環(huán)境造成了高持續(xù)性的污染，對人類健康和環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的危害。因此，迫切需要發(fā)展能夠?qū)崿F(xiàn)PFCAs快速靈敏檢測和高效去除的方法。在這方面，多孔有機(jī)籠共組裝體提供了新的解決方案。以某研究中制備的多孔自適應(yīng)發(fā)光金屬籠（Zn-Cage）為例，該金屬籠實(shí)現(xiàn)了對污染水中的PFCAs高靈敏度和選擇性的檢測與吸附。當(dāng)金屬籠暴露于PFCAs中時(shí)，其熒光信號會根據(jù)PFCAs的濃度高低而表現(xiàn)出不同程度的熒光減弱，檢測限可低至57nM，通過與智能手機(jī)應(yīng)用程序相結(jié)合，能夠方便快捷地實(shí)時(shí)檢測PFCAs濃度。從吸附性能來看，該金屬籠可以從模擬污染水樣中以高吸附效率去除具有代表性的PFCAs，如全氟丁酸（PFBA）、全氟己酸（PFHxA）、全氟辛酸（PFOA）和全氟癸酸（PFDA）。研究結(jié)果表明，隨著PFCA碳鏈增長，金屬籠對PFCA的吸附效果越好，吸附效率最高能達(dá)到99.99%。這主要是因?yàn)樵摻饘倩\可以根據(jù)不同客體分子的尺寸大小自適應(yīng)改變主體堆積方式，通過分子間氫鍵相互作用實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)分子的快速捕獲。除了PFCAs，多孔有機(jī)籠共組裝體還能有效去除水中的其他污染物，如放射性核素、有毒重金屬離子和有機(jī)微污染物等。福建物構(gòu)所結(jié)構(gòu)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室袁大強(qiáng)研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成的一系列酰腙鍵（C=N-N）連接的多孔有機(jī)籠（HPOCs），由于其多孔性質(zhì)以及骨架上包含大量的N、O和富π電子杯芳烴空穴，能夠有效地除去水中多種污染物。這些HPOCs材料的出現(xiàn)，不僅為解決POC材料在水環(huán)境中不穩(wěn)定的問題提供了新的思路，同時(shí)也為POC材料在水污染物去除方面的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)。5.1.2空氣凈化與廢氣處理在空氣凈化與廢氣處理領(lǐng)域，多孔有機(jī)籠共組裝體同樣具有重要的應(yīng)用價(jià)值，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能使其能夠有效地吸附和轉(zhuǎn)化有害氣體，為改善空氣質(zhì)量提供了新的解決方案。在吸附有害氣體方面，多孔有機(jī)籠共組裝體的高比表面積和豐富的孔道結(jié)構(gòu)為氣體分子提供了大量的吸附位點(diǎn)。以某研究中用于處理工業(yè)廢氣中二氧化硫（SO_2）的多孔有機(jī)籠共組裝體為例，該共組裝體具有三維貫通的孔道結(jié)構(gòu)，孔徑分布在0.3-1.0納米之間，比表面積達(dá)到了600m2/g。在模擬工業(yè)廢氣處理實(shí)驗(yàn)中，將含有SO_2的混合氣體（SO_2體積分?jǐn)?shù)為1%）以一定流速通過裝有該多孔有機(jī)籠共組裝體的吸附柱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在25℃和1個大氣壓下，該共組裝體對SO_2的吸附量可達(dá)5.0mmol/g，吸附效率高達(dá)90%以上。這是因?yàn)槎嗫子袡C(jī)籠共組裝體的孔道尺寸與SO_2分子的動力學(xué)直徑相匹配，使得SO_2分子能夠快速進(jìn)入孔道內(nèi)被吸附。同時(shí)，共組裝體表面的某些官能團(tuán)，如氨基、羥基等，能夠與SO_2分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，進(jìn)一步增強(qiáng)了對SO_2的吸附能力。除了物理吸附，多孔有機(jī)籠共組裝體還能在一定條件下實(shí)現(xiàn)對有害氣體的轉(zhuǎn)化。在處理氮氧化物（NO_x）時(shí)，一些負(fù)載有金屬催化劑的多孔有機(jī)籠共組裝體能夠促進(jìn)NO_x的還原反應(yīng)。在某研究中，將負(fù)載鈀納米粒子的多孔有機(jī)籠共組裝體用于催化NO與一氧化碳（CO）的反應(yīng)。在反應(yīng)過程中，多孔有機(jī)籠共組裝體的孔道結(jié)構(gòu)有效地富集了NO和CO分子，提高了反應(yīng)物在催化劑表面的濃度。同時(shí)，鈀納米粒子作為活性中心，促進(jìn)了NO與CO之間的化學(xué)反應(yīng)，將NO還原為氮?dú)猓∟_2），將CO氧化為二氧化碳（CO_2）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在200℃的反應(yīng)溫度下，該催化劑對NO的轉(zhuǎn)化率可達(dá)85%以上，展現(xiàn)出了良好的催化轉(zhuǎn)化性能。在實(shí)際應(yīng)用中，多孔有機(jī)籠共組裝體在空氣凈化和廢氣處理方面具有廣闊的前景。在工業(yè)廢氣處理中，它可以作為一種高效的吸附劑和催化劑，用于去除廢氣中的有害氣體，減少污染物的排放。在室內(nèi)空氣凈化領(lǐng)域，多孔有機(jī)籠共組裝體也可以用于制備空氣凈化材料，如空氣凈化濾網(wǎng)、空氣凈化涂料等，有效去除室內(nèi)空氣中的甲醛、苯、揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）等有害氣體，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，保障人們的健康。5.2能源領(lǐng)域5.2.1氣體儲存與分離在能源領(lǐng)域，多孔有機(jī)籠共組裝體在氣體儲存與分離方面展現(xiàn)出了巨大的潛力，尤其是在氫氣、甲烷等能源氣體的相關(guān)應(yīng)用中，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢為解決能源存儲和高效利用問題提供了新的途徑。以氫氣儲存為例，氫氣作為一種清潔高效的能源載體，具有高能量密度和燃燒產(chǎn)物無污染等優(yōu)點(diǎn)，被視為未來能源發(fā)展的重要方向。然而，氫氣的儲存一直是制約其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵難題之一。多孔有機(jī)籠共組裝體憑借其高比表面積和豐富的孔道結(jié)構(gòu)，為氫氣分子提供了大量的吸附位點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了氫氣的高效儲存。在某研究中，制備的一種多孔有機(jī)籠共組裝體在77K和1個大氣壓下，對氫氣的吸附量可達(dá)2.0wt%。這一吸附量相較于一些傳統(tǒng)的氫氣儲存材料有了顯著提高，主要?dú)w因于多孔有機(jī)籠共組裝體的特殊結(jié)構(gòu)。其納米級的孔道尺寸與氫氣分子的動力學(xué)直徑相匹配，使得氫氣分子能夠有效地進(jìn)入孔道內(nèi)被吸