NC：从粉末到膜，双驱动策略制备2D/3D COF膜用于分子分离
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针对COF粉末固有的不溶不熔特性、难制备加工的瓶颈，三峡大学李东升、王梅迪与哈尔滨工业大学邵路合作，提出了一种基于动态共价化学的“双驱动”粉末到膜转化策略。该方法以亚胺键COF（LZU1）粉末为前驱体，通过框架重构的内驱动力和酸进攻的外驱动力协同作用，成功制备了五种结晶性良好、无缺陷的2D/3D COF膜，最大面积可达225 cm2。最优的COF膜在水处理中表现出179.0 L m-2 h-1 bar-1的高水通量，对染料和药物分子的截留率分别高达99%和98%。该工作为COF粉末的高值化加工和COF膜的规模化应用提供了全新思路。
背景介绍
COF材料自2005年由Omar Yaghi团队首次报道以来，已发展成为一类重要的晶态多孔材料。与传统的无机多孔材料相比，COF具有密度低、结构可设计性强、功能化位点丰富等优势，在膜分离领域，COF规则有序的亚纳米孔道被认为是实现精确分子筛分的理想平台。
然而，COF材料的实际应用长期受限于一个关键矛盾：粉末合成容易，膜加工困难。目前大多数COF通过溶剂热法以粉末形式获得，其成核爆发过程难以控制，且COF粉末不溶于常见溶剂、加热也不熔融，难以通过常规的溶液加工或熔融加工手段成膜。据统计，已报道的COF膜数量仅有几十种，且主要集中在2D COF体系。如何在COF粉末与COF膜之间架起一座桥梁，实现从粉末到膜的高效、可控、规模化转化，是该领域亟待解决的核心问题之一。
本文亮点
1) 首次提出“双驱动”粉末到膜转化策略，打破COF粉末不溶不熔的加工限制，实现2D/3D COF膜的无缺陷制备。
2) 制备方法高效且通用，24小时内即可完成膜转化，成功制备五种不同键合类型和拓扑结构的COF膜。
3) 结合热力学（吉布斯自由能）、动力学（Fukui函数、单体扩散）和酸催化水解实验，揭示了双驱动转化的微观机制，为COF膜的理性设计提供理论指导。
图文解析
以LZU1粉末为原料，根据COF膜结构，五种转化可分为三类：键合类型改变（TpPa、TbBBO）、拓扑结构改变（TbBD、COF-303）和侧基改变（TbOMePa）。XRD和FTIR揭示了转化过程，也证明了新COF结构的生成。
图1 粉末到膜转化的化学与结构表征。
深入解析了双驱动转化的内外双重驱动力。内驱动力来源于单体交换驱动的框架重构：通过计算各转化过程的吉布斯自由能变（ΔG），Fukui函数以及目标单体在产物框架中的扩散系数，可以获得各转化过程的内驱力来源。外驱动力来自酸对亚胺键的攻击。溶液中的H+首先质子化亚胺氮原子，正电荷向碳原子迁移，随后水分子亲核进攻导致亚胺键断裂。通过筛选不同酸并调控pH，发现最佳pH范围约为2.5-3.5。
图2 粉末到膜转化的双驱动机制
评估了五种COF膜在水溶液体系中的分子筛分性能。其中TpPa膜对电负性、电中性和电正性染料以及多种药物分子均表现出优异的截留性能。在大面积膜（225 cm2）的五个随机取样点测试中，刚果红截留率均高于99%，水通量均超过60 L m-2 h-1 bar-1，证明了膜的均匀性和规模化潜力。将双驱动转化策略与界面聚合、原位生长、真空辅助自组装以及无单体交换转化等传统方法进行了系统对比，发现本方法在分离性能，制备效率，转化比例等多个维度表现出明显优势。
图3 粉末到膜转化方法与传统制备方法的对比
总结与展望
本研究首次提出并实现了基于动态共价化学的COF粉末到膜转化策略，通过内驱力和外驱力的双驱动机制，成功将COF粉末转化为具有精确筛分功能的2D/3D COF膜。该策略不仅突破了COF粉末加工瓶颈，还实现了膜的规模化、高效率制备，在分子分离领域展现出优异性能。系统的机理研究揭示了热力学、动力学和酸催化在转化过程中的协同作用，为动态共价化学在材料宏观形态调控中的应用开辟了新方向。
论文相关信息：
文献题目：Powder-to-membrane transformation affording 2D/3D COF membranes for molecular separations.
第一作者：王梅迪，周官正
通讯作者：李东升，邵路
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-78068-w