二维共价有机框架（2D COF）材料是一类独特的有机晶体材料，兼具弱层间相互作用与规整的一维纳米孔道结构。由于其层间堆叠相可逆（进而实现孔径可调），在纳米电子学、纳米反应器、智能响应系统、气体分离与存储等领域具有巨大应用潜力。然而，层间近AA堆叠是绝大多数2D COF在热力学上最稳定的结构，打破其热力学限制从而实现可逆层间堆叠仍极具挑战。

在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，化学研究所有机固体实验室刘云圻院士团队在2D COF材料的可控合成及器件研究方面积累了丰富经验（Nat. Commun.2022, 13, 7599; Angew. Chem. Int. Ed.2022, 61, e202113067; Cell Rep. Phys. Sci.2023, 4, 101273）。近期，他们针对高质量、大面积2D COF薄膜难以可控制备的难题，通过衬底诱导分子取向及建立扩散限制的2D COF生长模型，在实验与理论模拟的协同下，实现了厚度可控、高晶体取向的晶圆级2D COF薄膜制备，并展示了其在自适应视觉器件中的应用（Nat. Commun. 2024, 15, 10487）。

最近，他们提出“纳米空间限域相互作用”策略，实现了2D COF层间可逆滑移的调控。以AA层间堆叠的2D TAPT-TFPA COF为起始材料，在其一维纳米孔道中引入四氢呋喃(THF)、乙腈（ACN）或丙酮（AC）等异质分子后，2D TAPT-TFPA COF从AA层间堆叠转变为层间滑移相，其晶体c轴与a(b)轴夹角由近90°降低至71°，当异质分子去除后，滑移相仍稳定存在。反之，在层间滑移相的2D TAPT-TFPA COF一维纳米孔道中引入水分子，样品逐渐转变为AA堆叠相，当水分子去除后，堆叠相仍能保持稳定。分子动力学模拟显示，在引入THF等异质分子后，异质分子与2D COF骨架作用更强，接触面积增大，进而驱动2D COF的层间滑移；而在引入水分子后，水分子间较强的氢键相互作用使得一维水链在室温下结晶，纳米孔道增大，进而驱动层间滑移相转变为AA堆叠相，其中理论预测的一维纳米冰已被实验证实。基于“异质分子-2D COF作用强度、2D COF表面能、异质分子表面能、异质分子的相变潜热”四个参数，他们进一步构建了2D COF不同堆叠相结构的相图。借助该可逆滑移结构及可调孔道，研究进一步展示了动态智能气体（包括甲烷-乙烷-丙烷和丙烯-丙炔）分离的应用潜力。该策略为2D COF层间滑移调控、纳米限域相变及高效气体分离提供了新思路。相关研究成果近期发表在Nat. Commun., 2025, 16, 9025，第一作者为邵明超博士与陈金佯博士，通讯作者为董际臣研究员和郭云龙研究员。

2D COF层间可逆滑移调控及其气体分离应用

有机固体实验室

2025年12月3日