东华大学王学利/斯阳/唐佩馨等：高长径比柔性 COF 纳米纤维的缺陷工程生长及其超弹性气凝胶与铀提取应用

Flexible High-Aspect-Ratio COF Nanofibers: Defect-Engineered Synthesis, Superelastic Aerogels, and Uranium Extraction Applications

Binbin Fan, Jianyong Yu, Xueli Wang*, Yang Si*, Peixin Tang*

Nano-Micro Letters (2026)18: 142

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01984-x

本文亮点

1. 缺陷工程精调控，一步直接合成：首次提出“醇触发缺陷裂解”策略，通过温和的可逆希夫碱反应调控COF晶粒的生长与堆叠，直接合成出长径比达103.05、长度超20 μm的COF纳米纤维(CNFs)，其单根纤维具有仿生鳞片结构，弹性模量约4.90 GPa，兼具优异的柔性与抗疲劳性。

2. 自支撑宏观形态，多结构可设计：利用CNFs的高长径比与柔性，无需添加非光敏支撑聚合物，成功制备出自支撑CNFs气凝胶(CNF-As)，气凝胶中COF含量达100%，并通过定向冰模板法实现气凝胶蜂窝状、层状、各向同性等微拓扑结构的多类别设计。

3. 水下超弹结构稳，提铀性能卓越：CNF-As表现出优异的水下超弹性和稳定性，且循环使用性能良好。在光催化海水提铀中展现出920.12 mg g⁻¹的超高吸附量和89.9%的高吸附速率，对铀的选择性(U/V)提升效果明显。

研究背景

共价有机框架(COFs)作为一类结晶态多孔聚合物，因高比表面积、丰富孔结构和可设计官能团等优势，在吸附分离、能源存储、催化等领域展现出巨大应用潜力。但传统COFs存在粉末回收性差、脆性大、宏观连续性差的固有缺陷，难以直接制备成气凝胶等宏观功能材料，严重限制了其实际应用。

将COFs构筑成高长径比的纤维形态，是解决其加工性难题的有效途径，然而现有方法制备的COF纤维长径比普遍低于100，纤维间缠结能力弱，仍无法实现自支撑宏观材料的制备。同时，海水铀资源储量超45亿吨，是陆地铀矿的千倍以上，开发高效、稳定的海水提铀材料对核能源可持续发展意义重大，而COFs基材料的结构特性使其成为该领域的研究热点，但如何兼顾其结构稳定性与铀吸附性能仍是亟待解决的关键问题。

内容简介

针对传统共价有机框架(COFs)材料粉末难以回收、机械脆性大，宏观连续性差，难以实现规模化功能应用的核心瓶颈，以及海水提铀领域对稳定、高效、高选择性吸附材料的迫切需求，东华大学王学利、斯阳、唐佩馨教授团队创新性地将缺陷工程引入COFs的形貌调控与结构设计中，提出全新的“醇触发缺陷裂解”合成策略。该策略通过温和的可逆希夫碱反应精准调控COF晶粒的生长、裂解与重排，成功实现高长径比、仿生鳞片结构的柔性COF纳米纤维(CNFs)的直接合成，突破了现有COFs纤维长径比低、加工性差的局限。基于所制备CNFs的优异结构与力学特性，团队进一步构筑了自支撑及微拓扑结构可设计的CNFs气凝胶(CNF-As)，系统探究了材料的制备机制、微观结构与宏观力学性能之间的构效关系。同时，利用CNFs固有的光敏性与气凝胶多孔高比表面的协同优势，将其应用于光催化海水提铀领域，深入研究了材料的铀吸附性能、选择性及循环稳定性，揭示了光催化还原辅助铀捕获的作用机制。本文不仅为制备高机械性能、可加工的宏观COFs基功能材料提供了新方法，也为海水铀资源的高效提取提供了新型材料体系，推动了COFs基材料在环境与能源领域的实际应用。

图文导读

I 巧思构新材：缺陷裂解介导的仿生鳞片状CNFs设计与结构表征

以自然界鳞片结构的力学优势为灵感，提出“醇触发缺陷裂解”策略实现COF纳米纤维(CNFs)的直接合成，图1系统展示了该策略的设计原理与CNFs的微观结构特征。通过可逆希夫碱反应实现COF非晶缺陷的精准裂解与晶粒重构，苯甲醇作为温和亲核试剂渗透入缺陷区域，断裂亚胺键并诱导其重新生成，使COF晶粒逐步生长为纳米片并聚集形成仿生鳞片结构的CNFs。表征结果显示，所制备的CNFs直径均一(约200 nm)、长度超20 μm，长径比达103.05，元素分布均匀且结晶度高。鳞片结构由多晶错位堆叠形成，为后续材料的柔性与力学性能奠定结构基础。同时，对比已报道的各向异性COFs，本文制备的CNFs在长径比与纤维长度上均展现出显著优势。

图1. “醇触发缺陷裂解”策略的设计原理及仿生鳞片状CNFs的结构表征。

II 解密成纤原因：CNFs的合成机制与界面作用调控

如图2所示，本文围绕CNFs的成纤机制展开深入探究，从溶剂体系调控、界面作用、热力学与动力学等多维度揭示了醇触发缺陷裂解的核心原理。通过汉森溶解度参数(HSP)理论筛选出最优溶剂体系(均三甲苯/苯甲醇=1/1，v/v)，证实溶剂与COF的亲和性是实现晶粒定向生长的关键；结合密度泛函理论(DFT)与独立梯度模型(IGMH)分析，阐明苯甲醇与COF以范德华作用为主，界面亲和性远高于甲醇、异丙醇、肉桂醇等其他醇类，且醇与COF复合及可逆希夫碱反应均为热力学自发过程。同时，高分辨透射电镜(HR-TEM)与选区电子衍射(SAED)表征直观显示，CNFs经缺陷裂解后形成“晶核-非晶边缘”的结构特征，晶粒错位堆叠的界面为纤维提供了应力耗散的空间，从微观结构角度解释了CNFs柔性的来源。

图2. CNFs的合成机制及醇与COF界面作用的调控规律。

III 以柔韧克刚：单根CNF柔性与力学性能的解析

图3聚焦了单根CNF的柔性与力学性能机制，通过多种表征手段证实了其兼具高弹性与抗弯曲特性。原子力显微镜(AFM)定量测试显示，CNFs的弹性模量约4.90 GPa；聚焦离子束(FIB)动态弯曲实验直观表明，单根CNF经大角度弯曲后可完全恢复至初始状态，无裂纹或断裂产生。有限元分析(FEA)模拟与微观结构表征揭示了CNFs的多尺度应力耗散机制。宏观上，鳞片结构的错位堆叠为弯曲提供了形变空间；微观上，晶粒的晶/非晶界面可分散局部应力，避免应力集中导致的断裂。这一结构特性使CNFs突破了传统COFs的脆性局限，为宏观材料的构筑提供了可行基础。

图3. 单根CNF的力学特性及多尺度应力耗散机制。

IV 结构促性能：CNFs自支撑气凝胶的构筑与提铀性能的提升

图4展示了基于CNFs的自支撑气凝胶的构筑方法，以及其在光催化海水提铀中的优异性能，实现了从纳米纤维到宏观应用的闭环。利用CNFs的高长径比与纤维间的物理缠结，结合光诱导化学交联，成功制备出自支撑(COF含量达100%)与微结构可设计的气凝胶(CNF-As，蜂窝状、层状、各向同性)，其中蜂窝状CNF-As的比表面积达396.15 m² g⁻¹。力学测试表明，蜂窝状CNF-As在水中具有超弹性，50%应变下经500次压缩循环后形变接近0%，且水下稳定性超180天。将蜂窝状CNF-As应用于光催化海水提铀领域，其凭借光敏性、高比表面积与多孔结构的协同优势，实现920.12 mg g⁻¹的超高吸附容量与89.9%的高吸附速率，对铀的选择性(U/V=2.31)显著优于传统颗粒嵌入型COF基材料；天然海水吸附与循环实验证实，该材料具有良好的实际应用潜力与循环稳定性，为海水提铀提供了新型材料体系。

图4. CNFs自支撑气凝胶的构筑工艺及光催化海水提铀性能。

V 总结

本文通过缺陷工程策略突破了传统COFs粉末难回收、脆性大、加工性差的瓶颈，首次制备出长径比创纪录的柔性COF纳米纤维，实现了自支撑、可设计微结构的宏观COF气凝胶(CNF-As)的构筑。所制备的CNF-As兼具100%COF含量、高比表面积、超弹性与优异的水下稳定性，在光诱导海水提铀中表现出超高吸附容量、速率与选择性，较传统颗粒COF基材料实现了性能的跨越式提升。

该研究不仅建立了缺陷工程调控COFs形貌与力学性能的新方法，搭建了COFs纳米尺度精准设计与宏观功能应用之间的桥梁，还为海水提铀等环境与能源领域提供了新型高效材料。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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