反平行堆叠！东华大学，最新Nature Communications！

水资源短缺是全球面临的重大挑战之一，从空气中捕获水分被认为是缓解水资源危机的重要技术途径。共价有机框架（ COF）具有高比表面积、规整可调的孔道结构以及优异的化学稳定性，在大气集水领域展现出广阔的应用前景。与可通过分子设计实现精准调控的连接键和拓扑结构不同，二维COF的层间堆叠通常形成于动态的成核与晶体生长过程中，受到π–π相互作用、空间位阻及溶剂效应等多重因素的协同竞争，因而容易产生层间滑移、堆叠错位及局部无序。鉴于层间堆叠模式对二维COF的孔道结构、结晶性、化学稳定性及吸附性能具有决定性影响，如何突破动态组装过程中的多因素竞争，实现层间堆叠模式的精准调控，仍是二维COF领域亟待解决的关键科学问题。

针对这一难题，东华大学钱成、廖耀祖团队联合香港城市大学李兴助理教授，提出了一种基于偶极–偶极相互作用导向的超分子调控策略，实现了反平行堆叠二维亚胺COF的精准构筑。研究发现，引入具有强偶极矩的苯并噻二唑结构单元，可有效调控相邻COF层间的相互作用，诱导其形成有序的反平行堆叠构型；同时，协同氢键和多重π–π相互作用进一步增强层间结合，从而显著提高材料的结晶性、结构稳定性及水蒸气吸附性能。模型化合物单晶结构解析、PXRD结构模拟及DFT理论计算从不同层面共同验证了反平行堆叠模式及其形成机制。基于该策略构筑的COF-BB-R系列材料表现出更高的结构有序性、孔道可达性和水蒸气吸附能力，为二维COF层间堆叠模式的精准调控及其在大气集水领域的应用提供了新的设计思路。相关研究成果以“Precise construction of antiparallel-stacked 2D imine covalent organic frameworks for atmospheric water harvesting”为题发表于Nature Communications。论文第一作者为东华大学黄启航，北京理工大学黄纯为该论文的共同第一作者。该研究得到北京理工大学集成电路与电子学院乔婧思教授的悉心指导和帮助。

图1 基于非共价相互作用调控二维COF层间堆积模式的设计策略

针对二维COF层间堆积难以精准调控这一关键问题，研究人员提出了一种由偶极–偶极相互作用导向的超分子调控策略。他们选用外围修饰醛基的苯并噻二唑（BT，μ = 1.26 D）作为结构构筑单元，通过席夫碱缩合反应将其引入二维亚胺COF骨架，精准构筑了一系列反平行堆积的COF-BB-R材料。区别于传统设计中主要依赖非定向π–π相互作用的构筑方式，该策略赋予不同结构单元以明确而协同的功能：一方面，中心BT单元犹如“分子指南针”，通过偶极–偶极相互作用引导相邻COF层形成反平行取向；另一方面，亚胺键、芳香环和炔基单元进一步提供C–H···N、C–H···S氢键及多重π相关相互作用，从而协同稳定层间有序排列。在此基础上，研究人员选用三种具有不同甲基取代程度的芳香二胺，分别构筑了COF-BB-H、COF-BB-2Me和COF-BB-4Me，并以相应的COF-PB-R系列作为对照。结果表明，即使随着甲基取代程度增加、层间空间位阻逐渐增大，COF-BB-R系列仍表现出更清晰的衍射特征、更紧密的层间堆积以及更高的孔道可及性，充分验证了该超分子调控策略的普适性。

图2 二维亚胺共价有机框架的合成与结构

图3 两种COFs的结构表征

图4 MC-BT与MC-PB模型化合物的单晶结构分析

图5 两种COF的PXRD分析、层间距离及电荷差分密度

图6 六种亚胺COFs的晶体质量、孔道 结构及理化性质对比

图7两种亚胺COFs的水蒸气 吸附性能对比

图8 COF-BB-H的水蒸气吸附机理

论文信息

Q. Huang#, C. Huang#, J. Qiao, Q. Gao, W. Yuan, H. Wu, X. Li*, C. Qian*, Y. Liao*. Precise construction of antiparallel-stacked 2D imine covalent organic frameworks for atmospheric water harvesting. Nature Communications 2026, DOI: 10.1038/s41467-026-78318-x

通讯作者简介

廖耀祖，研究员、博导，现任东华大学先进纤维材料全国重点实验室、材料科学与工程学院执行院长，教育部“长江学者”特聘教授、国家重点研发计划项目首席科学家、上海市优秀学术带头人、上海市曙光学者、上海市浦江学者、德国洪堡学者、欧盟玛丽居里学者。主要从事功能纤维与有机多孔材料研究，在Nature Communications、Advanced Materials等期刊发表SCI论文110余篇。曾获中国材料研究学会科学技术奖基础研究一等奖（1/8）、上海青年科技英才、侯德榜化工科学技术奖青年奖、英国皇家化学会JMCA新锐科学家、爱思唯尔全球Top 2%科学家榜单、上海市五四青年奖章个人、国家级教学成果二等奖(2/15)、中国纺织工业联合会教学成果一等奖(1/13)、上海市教学成果特等奖(2/10)等奖项。主持承担科技部重点专项、国家自然科学基金(5项)以及华为企业合作课题等纵向横向重大科研项目20余项。兼任国务院学位委员会材料科学与工程学科评议组副秘书长，中国材料研究学会纤维材料改性与复合技术分会秘书长、标准认证工作委员会委员、青年工作委员会委员，中国纺织工业联合会智能纤维技术与制品重点实验室副主任，Advanced Fiber Materials、Chinese Chemical Letters、中国材料进展、东华大学学报(自然科学版、英文版)等期刊( 顾问、青年)编委。

钱成，东华大学材料科学与工程学院/先进纤维材料全国重点实验室副研究员，硕士生导师。2018年博士毕业于湖南大学，2018-2021年赴新加坡南洋理工大学进行博士后研究。主要从事二维共价有机框架的精准构筑及其吸附与催化性能研究，主持国家自然科学基金面上项目、青年科学基金项目（C类）和中央高校基本科研业务费专项资金等项目。曾荣获上海市领军人才（海外）、上海市浦江人才计划和湖南省优秀博士学位论文等多项奖励。迄今以第一或通讯作者在Nat. Rev. Chem.、Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Aggregate等期刊发表SCI论文20余篇，论文被引用5200余次，H-index 35。参与编写教材《多孔材料化学》1章（排名第二），授权国家发明专利6项。担任Chin. J. Struct. Chem.和Supramol. Mater.等SCI期刊青年编委。

李兴，香港城市大学化学系校长特聘助理教授。研究方向为多孔有机功能材料的设计合成与物理形态（粉末、膜、液体等）调控，以及其在电化学储能、分离与催化的应用。其在化学、材料科学和化工的跨学科研究工作以第一作者/通讯作者先后发表在Nature Chemistry, Nature Synthesis, Nature Energy, Nature Communications, Journal of the American Chemical Society等著名期刊。其在共价有机框架材料与电化学碳捕集领域的多项工作贡献分别在Nature Collection不同专题中被评为亮点文章，包括 “Celebrating 15 Years of Covalent Organic Frameworks”, “Synthesis and Enabling Technologies”, “Carbon dioxide removal, capture and storage”,“Chemical Engineering Distilled” ，“Synthesis of materials for energy applications”。曾获得SNIC-Prof Lee Soo Ying 早期职业研究奖，香港大学教育资助委员会2025年杰出青年学者计划资助（RGC-ECS）。目前担任Frontiers in Chemistry副主编。