近年來，具有高導熱性的奈米多孔材料有望用於解決能源儲存和電子領域的一系列挑戰。例如，它們可以用作有效的吸附劑，以實現燃料電池汽車中天然氣的快速儲存，還可以在大型積體電路中充當有效的低介電常數材料，除去過剩的熱量。然而，奈米多孔材料與其緊密堆積的材料相比具有大幅度降低的熱導率。例如，奈米多孔矽的導熱係數（κ）約為0.56至3.0 W m-1K-1，而固態矽的導熱係數卻高達148 W m-1 K-1。

共價有機骨架材料（COF），一種由輕元素的分子有機結構單元構成並透過強共價鍵連線的結晶型固體，由於其獨特的設計結構和高孔隙率迅速成為一類前景巨大的多孔材料。然而，所製備的COF通常是離散且不可處理的顆粒的形式，這無疑阻礙了它們之間的熱傳遞。目前為止，COF的κ值約為0.04至0.05 W m-1 K-1，可以與優質絕熱材料如棉（0.04 W m-1 K-1）等相提並論，主要是由於COF具有較低的結晶度，有限的顆粒尺寸（通常小於50 nm）以及顆粒的分散性。然而，將單晶COF顆粒組裝成一個整體來獲得更高效能仍然是一項艱鉅的挑戰。

圖1:SYSU-7薄膜的合成方法

近日，中山大學鄭治坤教授，中國人民大學陳珊珊教授以及德累斯頓大學Haoyuan , Qi等人合作設計和開發出一種新型奈米多孔和高導熱性的單晶COF帶薄膜，SYSU-7。相關研究成果以題為“Nanoporous and Highly Thermal Conductive Thin Film of Single-Crystal Covalent Organic Frameworks Ribbons”發表在國際頂尖學術期刊《Journal of the American Chemical Society》上。

圖2:SYSU-7薄膜的結構表徵

在這項工作中，研究人員提出了在空氣-水介面處具有奈米孔結構的微米級單晶COF帶的定向生長。在該條件下，COFs帶在彼此重疊的同時形成了晶圓級薄膜，而且不含非晶質材料。研究人員透過DFT計算預測SYSU-7的多孔晶體結構，並透過電子顯微鏡和掠入射廣角X射線散射對其進行了表徵。隨後，他們將單晶帶定向堆疊到大面積薄膜中，發現由於COF帶之間的共價連線，整個薄膜可以輕鬆轉移並與目標支座牢固接觸，以獲得高熱導率。當溫度為305 K時熱導率可以達到5.31±0.37 W m-1 K-1，比之前報道的COF的熱導率高几個數量級，是迄今為止報道的奈米多孔材料的最高值之一。

圖3:SYSU-7薄膜的導熱係數測試

綜上，該工作中利用一種新方法來探索單晶COFs的組裝，合成了一種高孔隙率與高熱導率的單晶COF帶薄膜，SYSU-7。該材料有望用於吸附，分離，催化等各方面的應用之中。

文獻地址：

https://doi.org/10.1021/jacs.0c13458