西安交通大学马和平Nat. Commun.：柔性 3D COF 实现温度与氙气双重响应门控，高效分离氙氪混合气
发布日期：2026-08-04 来源：贝士德仪器
一句话总结
西安交通大学马和平教授设计合成含柔性连续醚键单元的五重互穿三维共价有机框架 FCOF-XJ，该材料兼具温度响应与氙气诱导门控开孔特性，常温下 Xe/Kr 选择性达 36.9，固定床穿透实验可回收纯度 99% 以上氙气，建立适用于稀有气体分离的热响应柔性 COF 新平台。相关工作发表在Nature Communications。
拟解决的关键科学问题
柔性多孔晶体依靠客体或外界刺激可逆切换孔道开闭状态，在气体分离领域极具应用潜力；现有柔性材料多针对 CO₂、乙炔等极性气体，单原子惰性稀有气体（Xe/Kr）因无氢键、静电识别位点，难以实现高效选择性分离。光刺激型 COF 存在穿透深度不足、工业化操作困难等缺陷，温度刺激具备均匀传导、易调控的优势，但可温致构象转变的柔性 3D COF 十分稀缺。本文引入含 - O-C-C-C-O - 柔性醚键四面体构筑单元，构建五重互穿 dia 拓扑 FCOF-XJ，利用温度调控骨架扭转并借助氙气范德华力诱导门控开孔，解决惰性稀有气体高效分离难题，填补热响应柔性 COF 用于氙氪分离的研究空白。
实验方法
以柔性四醛 TFPM 与刚性四胺 TAPM 经 [4+4] 亚胺缩合 120 ℃恒温 7 天合成 FCOF-XJ 粉末与单晶；采用 FTIR、¹³C 固体核磁、SEM、TEM、PXRD、TGA、DSC、MicroED 单晶衍射完成结构与热化学稳定性表征；测试多温区 N₂/Ar/CO₂/Xe/Kr 单组分吸附，原位变温 PXRD 追踪温度、客体诱导骨架相变；通过 DFT 与巨正则蒙特卡洛模拟解析主客体相互作用与孔道尺寸变化；搭建固定床穿透装置，在 257–298 K、两种 Xe/Kr 配比下开展动态分离与 5 轮循环再生测试，对比不同工况下氙气回收率、产品纯度与动态吸附容量。
图文解析
' fill='%23FFFFFF'%3E%3Crect x='249' y='126' width='1' height='1'%3E%3C/rect%3E%3C/g%3E%3C/g%3E%3C/svg%3E)
图 1 FCOF-XJ 合成路线与温致 + 氙气双响应门控开孔示意图
(a) FCOF-XJ 的溶剂热合成流程示意图；(b) FCOF-XJ 热响应、氙气触发门控开孔效应原理示意图；(c) 闭孔相（CP）与开孔相（OP）两种物态下框架结构单元键角变化示意图。
图 2 FCOF-XJ 基础材料表征图谱
(a) FCOF-XJ 单晶三维倒易点阵图；(b) FCOF-XJ 粉末 X 射线衍射谱（实验、精修、模拟曲线对比）；(c) FCOF-XJ 固体 ¹³C 核磁共振谱；(d) FCOF-XJ 单晶扫描电镜图像；(e) 不同温度 CO₂、77 K 氮气、87 K 氩气吸附脱附等温线；(f) 真空活化、四氢呋喃浸泡、DMF 浸泡后样品 PXRD 对比。
图 3 FCOF-XJ 两相晶体结构与孔径分布
(a) 沿特定晶轴观察的闭孔相 FCOF-XJ-CP 球棍三维结构；(b) FCOF-XJ-CP 模拟孔径分布及孔道空间分布示意图；(c) FCOF-XJ-CP 实验与模拟 PXRD 对比；(d) 沿特定晶轴观察的开孔相 FCOF-XJ-OP 球棍三维结构；(e) FCOF-XJ-OP 模拟孔径分布及孔道空间分布示意图；(f) FCOF-XJ-OP 实验与模拟 PXRD 对比；原子配色：碳灰色、氮蓝色、氧红色、氢白色。
图 4 单组分 Xe、Kr 气体吸附性能
(a) 273 K 下氙、氪单组分吸附等温线；(b) 298 K 下氙、氪单组分吸附等温线；(c) 195–313 K 宽温区氙吸附等温线（实心吸附、空心脱附）；(d) 常温下 FCOF-XJ 与其他多孔材料 Xe/Kr 选择性、吸附容量对比。
图 5 原位变温粉末 X 射线衍射表征
(a) 氮气惰性氛围下 195–313 K 原位变温 PXRD 图谱；(b) CO₂吸附氛围下 199–298 K 原位变温 PXRD 图谱；(c) 吸附氙后样品实测 PXRD 与 FCOF-XJ-OP@Xe 模拟谱对比；(d) 惰性气体吹扫脱除氙过程中时间分辨原位 PXRD 演化图谱。
图 6 多组分 Xe/Kr 混合气动态穿透分离实验
(a) 257 K，Xe/Kr 体积比 3:7 穿透曲线；(b) 257 K，Xe/Kr 体积比 5:5 穿透曲线；(c) 263 K，Xe/Kr 体积比 3:7 穿透曲线；(d) 263 K，Xe/Kr 体积比 5:5 穿透曲线；(e) 273 K，Xe/Kr 体积比 3:7 穿透曲线；(f) 273 K，Xe/Kr 体积比 5:5 穿透曲线；(g) 298 K，Xe/Kr 体积比 3:7 穿透曲线；(h) 298 K，Xe/Kr 体积比 5:5 穿透曲线；红线：氙气流速，蓝线：氪气流速，总气流量 1.0 mL・min⁻¹。
文章总结
本工作构建含柔性连续醚键链段的五重互穿 dia 拓扑三维共价有机框架 FCOF-XJ，实现温度调控构象转变与氙气客体诱导协同门控开孔。材料低温下呈窄孔闭孔相，257–298 K 区间升温后骨架醚键扭转拓宽孔道，氙气通过范德华相互作用稳定开孔结构，室温 Xe/Kr 选择性高达 36.9，优于绝大多数多孔有机与金属有机框架材料。原位 PXRD 直接证实温度、氙气诱导可逆骨架相变，DFT 计算证明氙与框架相互作用强于氪。固定床动态穿透实验在适宜温度区间形成高纯氙回收窗口，低温工况氙产品纯度高于 99%，材料可加热吹扫完全再生且循环稳定。该研究阐明非极性单原子稀有气体触发柔性 COF 门控开孔机制，为热响应动态多孔材料用于稀有气体高效分离提供通用设计思路。
文章来源：MOFs在线
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-75235-x
|
文章中 气体吸附测试数据 |
测试内容 |
参考仪器 |
 |
|
BSD-660系列 |
 |
|
|
 |
|
 |
贝士德 吸附表征 全系列测试方案
测样、送检咨询：王工
152 1086 3368（同微信）
添加微信，码上咨询
BeiShiDe Instrument All rights reserved. Power by:beishide.com 版权所有 @ 2021 电话4008-457-456 京公网安备 11010802025944号 关键词：比表面积仪,比表面积分析仪,比表面积测定仪,比表面积测试仪,贝士德仪器,蒸气吸附仪,高压吸附仪,多组分竞争吸附,穿透曲线分析仪,化学吸附仪,物理吸附仪
