從天到小時：一種更快的方式製造有前景的新催化劑

科學家們發現了一種更快、更可持續的製造金屬包覆共價有機框架（COFs）的方法，這些材料在催化、能源儲存和化學感測中具有關鍵作用。他們開發的新型一步法、室溫工藝是克拉克亞特蘭大大學（Clark Atlanta University）和洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）分子鑄造廠之間的合作成果，該方法消除了對有毒溶劑的需求，並將生產時間顯著縮短從幾天到僅一小時。

金屬包覆COFs廣泛研究用于催化劑，該材料在不被消耗的情況下加速化學反應。COFs就像高度有序的小型樂高結構，以晶格形式排列，並擁有大量有序的孔隙或開口。當金屬固定在這些孔隙中以形成金屬包覆的COFs時，該材料可以加速反應並提高整體效率。

傳統上，金屬包覆的COFs是使用多步驟過程製造的，這一過程需要數天，首先製造COFs，然後再加入金屬物種。這種方法還需要危險的溶劑、高溫和無空氣條件。相比之下，來自克拉克亞特蘭大大學和分子鑄造廠的研究人員所開發的新方法是一種單步過程，像一個平常週末的單鍋意大利麵食譜一樣，在不需要有毒溶劑或無空氣條件的情況下，在一小時內於室溫下完成。其結果最近發表在《美國化學學會可持續化學與工程》（ACS Sustainable Chemistry and Engineering）期刊上。

“我們能夠加速COF的合成，同時使其盡可能可持續，”克拉克亞特蘭大大學的研究生、該研究的首席作者諾曼達·布朗（Normanda Brown）解釋道。提高這一過程的效率和可持續性可能促進這些獨特材料的更廣泛應用。

這種快速製造金屬包覆COFs的方法得益於機械化學，這是一種透過機械力來促進化學反應的過程。“機械化學簡單地通過機械力啟動化學反應，”布朗解釋道。“無論是磨碎、剪切還是研磨。”在這一特定方法中，使用了一種球磨機——一種利用不鏽鋼球將材料粉碎的儀器——來結合製造金屬包覆COFs所需的成分。

為了確認製備出正確的金屬包覆共價有機框架（COFs）並評估其性能，克拉克亞特蘭大大學的團隊與分子鑄造廠的科學家傑夫·厄本（Jeff Urban）和易劉（Yi Liu）合作。“分子鑄造廠已開發出堅實的工具和專業知識，以支持我們用戶的結構化多孔材料表徵需求，”劉表示。通過現場訪問和遠程溝通，分子鑄造廠的工作人員與克拉克亞特蘭大研究人員合作，了解他們的金屬包覆COFs所需的表徵方法。研究人員評估了COFs的多孔性和晶體性，並測量了結構中添加的金屬量。此外，還使用了強大的透射電子顯微鏡來可視化COF的結構及其內部金屬的分佈。

“分子鑄造廠就像一家人，”克拉克亞特蘭大學的助理教授、該研究的首席研究員李新樂（Xinle Li）說。李在新冠疫情期間申請了分子鑄造廠的用戶計畫，以克服啟動獨立職業生涯的挑戰，獲得了專家合作者的支持，並隨後能夠利用一些在小型大學無法獲得的工具和資源。“克拉克亞特蘭大大學是由亞特蘭大大學和克拉克學院合併而成，亞特蘭大大學是全國第一所為非裔美國人設立的研究生院，而克拉克學院則是主要服務於非裔美國學生的全國第一所四年制文科學院，”李解釋道。“去年秋季，該校的註冊學生超過4000人，使其成為喬治亞州歷史悠久的黑人學院和大學（HBCUs）中最大的私立機構。”

作為概念驗證，通過該團隊的新型一步法製備的金屬包覆COF材料成功用於催化鈦-宮浦耦合反應（Suzuki-Miyaura coupling reaction），這是一種廣泛應用於有機化學中形成碳-碳鍵的方法。展望未來，這種一鍋式機械化學合成方法可以應用於不同的金屬和不同的COFs，用於催化、能源儲存、氣體儲存、化學感測、吸附和分離等多種應用。

分子鑄造廠是伯克利實驗室的一個美國能源部科學辦公室的用戶設施。

這項工作部分得到了美國能源部科學辦公室的支持。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。