南开大学：传感器与解毒器二合一

诸平

据威利（Wiley）2021年2月5日提供的消息，张振杰（Zhenjie Zhang）课题组为纪念南开大学化学系成立100周年而作的“合理制造晶体智能材料，快速检测和有效去除臭氧（Rational Fabrication of Crystalline Smart Materials for Rapid Detection and Efficient Removal of Ozone）”研究成果，已经在德国《应用化学国际版》（Angewandte Chemie International Edition）发表——Dong Yan, Zhifang Wang, Peng Cheng, Yao Chen, Zhenjie Zhang. Rational Fabrication of Crystalline Smart Materials for Rapid Detection and Efficient Removal of Ozone. Angewandte Chemie International Edition, 2021; DOI: 10.1002/anie.202015629. First published: 15 December 2020. https://doi.org/10.1002/anie.202015629

众所周知，臭氧(O₃)是一种有问题的空气污染物，会导致严重的健康问题。一种新开发的材料不仅能快速和选择性地显示臭氧的存在，而且能有效降解臭氧使其无害化。多孔的“二合一系统（2-in-one systems）”在非常潮湿的空气中也能可靠地工作。

O₃会导致健康问题，如呼吸困难、肺损伤和哮喘发作。因此，有关职业安全条例限制了工作场所允许的O₃浓度。以往的O₃检测方法，如基于半导体的方法，都有很多缺点，包括功耗高、选择性低、以及由于潮湿的空气导致的故障等。迄今为止，旨在降低O₃浓度的技术主要基于活性炭、化学吸收或催化降解。

南开大学张振杰领导的一个研究小组为自己设定了一个目标，即开发一种既能快速探测又能有效去除臭氧的材料。他们的方法使用了共价有机骨架(covalent organic frameworks简称COFs)材料。COFs是具有扩展多孔晶体结构的二维或三维有机固体;它们的组成部分通过强共价键结合在一起。通过选择不同的组件，可以为许多应用定制COFs。

研究人员选择了容易生产的、高度结晶的芳香环系构成的COFs。单个的构建模块是通过称为亚胺类（imines）的连接基团连接起来的。亚胺类实际上就是一个氮原子与一个碳原子通过双键结合在一起，这些都是处于功能中心的。

亚胺COFs通过从黄色到橙红色的快速颜色变化表明臭氧的存在，这种颜色变化可以用肉眼看到，并通过光谱仪记录。与许多其他探测器不同，亚胺COF在高湿度和宽温度范围内也能非常可靠、灵敏和有效地工作。在水存在的情况下，水分子会优先与亚胺基结合。因此，研究者断言，这样就会释放出一种氢氧离子(OH^-)，并与臭氧分子发生反应。带正电的氢原子仍然与亚胺基结合，导致颜色变化。如果臭氧比水多(或者充满臭氧的空气完全干燥)，多余的臭氧就会与这些亚胺基团结合并将它们分开。每个亚胺基降解两个臭氧分子。这也导致颜色变化，晶体结构慢慢开始崩塌。因此，亚胺COF不仅能探测到臭氧，还能可靠有效地分解此有害气体，这使得其比许多传统材料更有效。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Traditional ozone sensing and removal materials still suffer from high energy consumption and low efficiency. Thus, seeking new ozone‐responsive materials with high efficiency and broad working conditions is of great significance. Herein, we first developed covalent organic frameworks (COFs) for smart sensing and efficient removal of ozone. Notably, imine‐based COFs possess dramatically fast optical responses (<1 s) to ozone as low as 0.1 ppm under broad working conditions (e.g., in the presence or absence of moisture, room temperature). Moreover, we found that imine‐based COFs can also be applied as excellent ozone removers that can efficiently reduce the ozone concentration below the recommended safety limit (<0.1 ppm) for humans. The mechanism for the performance of imine‐based COFs was unveiled in‐depth by various characterization techniques and analyses. This study not only provides a new type of advanced materials for ozone sensing and removal but also broadens the application scope of COFs.

通讯作者张振杰简介：张振杰，南开大学化学学院研究员、博士生导师，于2006年和2009年在南开大学大学获得学士和硕士学位，师从长江学者程鹏教授；2014年在美国南佛罗里达大学取得博士学位，师从爱尔兰皇家科学院院士Michael J. Zaworotko教授。其后在美国加州大学圣地亚哥分校（导师：Seth Cohen教授）从事博士后研究。2016年开始在南开大学化学学院工作，同年入选国家级海外人才计划。张振杰课题组聚焦“功能导向智能材料的合成”，开创了“晶态人工肌肉”的研究新方向，并发展了智能驱动、自愈、智能识别等多功能平台，创制了一系列自主研发的高性能晶态智能材料。