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本文全面综述了共价有机框架（COFs）在 2021 - 2025 年的合成、性质及应用进展。介绍了其不同连接类型、合成方法、功能化策略，探讨了在气体存储、能源存储、污水处理等多领域的应用，分析了面临的挑战并展望未来，为相关研究提供参考。
引言
近十年来，纳米多孔材料发展迅猛，在催化、能源转换、气体存储等众多领域展现出巨大潜力。在合成有机聚合物网络方面，化学家曾面临挑战，而网状化学的出现解决了这一难题，金属有机框架（MOFs）应运而生。2005 年，Yaghi 团队将拓扑设计原理拓展，合成了共价有机框架（COFs），这是一类新型的晶态多孔材料。
COFs 由碳、氢、氧、氮、硼等轻元素通过共价键连接而成，与依赖金属 - 配体配位的 MOFs 不同。其合成通常是两种有机单体缩合，或单一单体自缩合，形成有序多孔网络。由于其结构精确、功能可调节，在多个领域极具应用前景，不过目前合成机械强度高且可加工的 COFs 仍面临挑战。
共价有机框架（COFs）中的连接类型
COFs 可依据有机构建单元间的连接类型分类。其中，亚胺（C=N）连接的 COFs，是通过醛、酮与胺的缩合反应形成；硼酸酯（B - O）连接的 COFs，具有可逆的硼酸酯键，能实现结构动态变化；三嗪（C - N=C）连接的 COFs，其连接源自含氮芳香化合物 。
合成方法
COF 合成需精确控制成键时的热力学平衡，反应条件如温度、压力和模板的存在至关重要。常见的合成方法包括传统的溶剂热法，在特定溶剂和高温高压下促进反应；微波辅助法，利用微波快速加热，加快反应进程；还有机械化学法等，不同方法各有利弊。
功能化 COFs 的合成策略
从化学角度看，COFs 完全可设计。自下而上策略在合成阶段精心选择构建单元，赋予 COF 特定功能；后修饰策略则是在已合成的 COF 上引入功能基团或金属，拓展其应用范围。
共价有机框架（COFs）的应用
COFs 凭借有序多孔结构和轻元素组成，在众多领域表现卓越。在气体存储方面，其大比表面积和可调节孔结构利于高效存储气体；能源存储领域，可作为电极材料提升电池性能。在环境应用中，能有效吸附和降解水中有机污染物。此外，在药物递送、食品安全分析、传感、催化和光电子学等方面也发挥着重要作用 。
共价有机框架（COFs）合成、表征和应用中的挑战
COF 合成过程复杂，对反应条件要求苛刻，导致产品质量参差不齐。其结构复杂且对环境条件敏感，使得表征难度加大，难以进行精确分析和验证。在应用方面，目前还存在一些技术瓶颈，限制了 COFs 大规模推广使用。
未来展望
COFs 丰富的结构多样性和模块化设计为功能材料开发提供了广阔空间。未来研究应聚焦于优化合成方法，提高产品质量和可重复性；深入探究结构与性能关系，实现精准功能调控；拓展在新兴领域的应用，如生物医学工程、量子信息技术等。
结论
共价有机框架（COFs）是一类极具魅力和多功能的晶态多孔材料，与其他晶态多孔材料相比，具有低密度、大比表面积、结构和功能可调节等优势。尽管目前在合成、表征和应用方面面临挑战，但随着研究深入，COFs 有望在更多领域取得突破，为科学发展和实际应用带来新机遇。
