共价有机框架作为一类结晶多孔材料，因骨架的可设计性和孔道的可调控性，在光催化、能源存储等领域具有广阔应用前景。而螺烯单元因独特的共轭结构，成为构筑功能化COFs的理想基元，但此前本课题组报道的螺烯基COFs的研究主要为二维体系，一维螺烯COFs因拓扑结构限制一直未被开发，这也成为领域内的研究难点。
针对这一问题，团队设计合成了咔唑稠合[7]螺烯单体，该单体呈现V型几何结构，两个反应位点夹角104°、垂直间距4.4 Å，这种非常规结构本与传统一维框架生长模式不兼容。研究团队创新性地将其与四取代C₂对称π结单体（TPDA、PyTTA）缩合，得到了具有二重互穿结构的一维带状COFs，实现了拓扑禁阻结构的精准构筑，这也是首次发现一维COFs可形成互穿结构，打破了此前仅三维COFs存在互穿的认知，相关研究成果发表于国际顶级化学期刊《Journal of the American Chemical Society》。 搜同
博士研究生田治彬为论文第一作者，论文通讯作者为 搜同
支永峰副教授与新加坡国立大学江东林教授。
图1. 螺烯单晶及螺烯COFs结构图
研究发现，该类一维COFs中P型和M型螺烯异构体沿带状结构两侧实现手性自分类，分别排列在带的两侧边缘，这些一维带进一步通过同手性的P-on-P和M-on-M柱间的π-π堆积作用，自组装成"伪2D"框架，构建了有序的电子给体-受体列阵，大幅提升了电荷传输效率。结构表征显示，两种新型COFs（咔唑-[7]螺烯-TPDA-COF、咔唑-[7]螺烯-PyTTA-COF）均为三斜晶系P1空间群，具有良好的化学稳定性，在有机溶剂及酸碱水溶液中均能保持结构完整，且其微孔结构（孔径1.4 nm）和适度的亲水性为反应底物的传输提供了有利条件。
图2. 螺烯COFs结构表征
在光催化性能研究中，该类材料展现出优异的光催化产过氧化氢性能。在可见光（λ>420 nm）照射下，无需金属助催化剂和牺牲剂，仅以水和氧气为原料即可直接生成过氧化氢，其中咔唑-[7]螺烯-TPDA-COF的产率达377.3 μmol g⁻¹ h⁻¹。FP-TRMC表明TPDA-COF电子/空穴迁移率分别为2.3/2.8×10⁻⁹，优于PyTTA-COF的9.9×10⁻¹⁰/1.1×10⁻⁹，证实有序结构是光催化的关键因素之一。经质子化改性后，材料的水溶性和催化活性进一步提升，咔唑-[7]螺烯-TPDA-COF产率提升至1146.0 μmol g⁻¹ h⁻¹，较未改性前提升3.1倍，咔唑-[7]螺烯-PyTTA-COF更是提升9.6倍，且改性后材料可通过过滤快速回收并循环使用，结构和性能保持稳定。
研究机理表明，该类COFs的光催化产过氧化氢过程具有明确的位点分工：π结单体作为还原位点实现氧气还原，螺烯单元作为氧化位点完成水的氧化，微孔结构则高效实现水和氧气的传输，三者协同完成光催化循环。同时，材料中扩展的π共轭体系、高效的光生电荷分离与传输能力，是其优异光催化性能的核心原因。
该研究成果不仅首次实现一维螺烯COFs的合成与互穿结构的构筑，提出非常规拓扑结构COFs的设计新策略，还开发出一类无金属、高效的光催化产过氧化氢材料，为清洁能源转化和环境催化领域提供新的材料平台。
该研究得到国家重点研发计划（2021YFA1200401）和海南省自然科学基金青年基金（224QN181）的资助。
论文题目：One-Dimensional and Pseudo-Two-Dimensional Helicene Covalent Organic Frameworks
论文链接：//doi.org/10.1021/jacs.6c00036
J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, X, XX–XX
撰稿人：田治彬 支永峰
审核人：潘福生
