作者：边彦超、沈振静、张一腾、王尚、徐一尚、张立生、李慧芳
单位：山东科技大学机电工程学院，高性能碳材料制备与应用实验室，中国青岛市266061
摘要
共价有机框架（COFs）凭借其可精确设计的结构和卓越的化学稳定性，已成为太阳能转换领域的前沿材料。本文系统概述了先进COF材料的最新研究进展及其在太阳能转换中的应用。首先讨论了基于不同化学键合方式（如硼酸酯、亚胺、腙和偶氮）的COFs的化学结构及相关性质。接着探讨了COFs的设计原理和合成方法，并分析了不同策略对其结晶性、可扩展性和性能的影响。核心部分重点介绍了COFs在太阳能转换中的应用，包括光催化（如氢气演化、有机转化、污染物降解和CO2还原）和光电转换（如太阳能电池和光电探测器）方面的机制和性能。最后，本文对这一领域面临的关键挑战和有前景的研究方向进行了展望，旨在为高性能COF基太阳能转换材料的发展提供指导。
引言
目前，太阳能转换主要通过两条关键技术路径实现：光催化和光伏发电[1]、[2]、[3]。前者利用光催化剂将太阳能转化为化学能，后者则利用半导体材料直接将光能转化为电能[4]、[5]。这两种技术的性能受所涉及功能材料的电荷分离和传输特性影响，而二维（2D）材料已被证明是有效的光电材料，并已在太阳能转换中得到成功应用[6]、[7]。研究人员在2D材料的合成、性质研究及其在太阳能转换中的应用方面投入了大量努力，包括石墨烯[8]、六方氮化硼（h-BN）[10]、过渡金属硫族化合物（TMDs）[11]、石墨氮化碳（g-C3N4）[12]、金属有机框架（MOFs）[13]、金属黑磷（BP）[14]等。然而，这些材料在太阳能转换中的效率仍有待提高，以满足实际应用需求[15]、[16]。因此，开发高效、稳定且具有可调性质的新型光催化剂成为重要的研究方向[17]。
共价有机框架（COFs）是一类新兴的高效光电材料。它们由轻元素（如C、H、O、N、B）通过强共价键连接而成，具有低密度、高热稳定性、永久性和可调孔隙率以及较大的表面积等独特性质[18]、[19]。与其他2D光功能材料相比，COFs具有完全有机的可设计骨架，便于精确调控π共轭系统和能带结构，这是管理光吸收和电荷传输的关键优势[20]。这些特性推动了COFs在多个领域的应用，包括气体存储与分离[21]、吸附[22]、催化[23]、传感器[24]、光电设备[25]以及能量存储与转换[26]，使其成为解决传统光催化剂局限性的理想平台[27]。
自2005年Yaghi及其同事首次合成COFs以来[28]，已经合成了多种结构和键合类型多样的COFs，为它们在太阳能转换中的应用奠定了坚实的材料基础。COF研究的核心在于利用不同的构建单元和键合方式构建新型材料，这涉及新前体的设计、键合化学和合成方法的发展[29]。构建单元的多样性直接影响孔径大小、结晶性和分子间相互作用（如氢键），从而赋予COFs独特的性质[30]。值得注意的是，引入供体-受体（D-A）结构显著提升了COFs的光生电荷分离效率，这是高效太阳能转换的核心过程[31]、[32]、[33]。因此，COFs为直接解决传统光催化剂在太阳能转换中的关键问题提供了多功能材料平台。例如，由sp2-碳键连接的COFs与半导体（如CdS）构成的异质结在耦合光催化氢气演化和生物质氧化方面表现出显著活性，展示了基于COF的设计如何引导电荷流动并稳定反应中间体[34]、[35]。同样，COFs还被集成到钙钛矿和有机太阳能电池中作为电荷传输层或界面层，其有序的孔隙率和能级可调性提高了器件的效率和稳定性[36]。这些进展为合理设计适用于太阳能应用的COF材料奠定了基础[37]、[38]。
本文系统回顾了COFs在设计、合成和性质表征方面的最新进展，以及其在太阳能转换中的新兴应用。首先基于关键键合化学（如硼酸酯、亚胺、腙和偶氮）对COFs的结构基础和性质进行了概述。接着分析了设计原理和合成方法，重点讨论了不同策略对结晶性、形态和可扩展性的影响。核心部分重点探讨了COFs在太阳能转换中的应用：在光催化中，评估了它们在氢气演化、有机转化和CO2还原方面的机制和性能；在光电转换中，讨论了它们作为太阳能电池和光电探测器中功能层的作用，以及界面工程和电荷传输优化对器件效率和稳定性的影响。最后，提出了当前面临的挑战和未来的发展方向，为高性能COF基太阳能转换材料的设计提供了战略性的见解。
COFs材料的分类
COFs的主要特征在于其键合方式和结构组成，它们由通过特定键合基团连接的有机构建单元构成[39]、[40]。自2005年Yaghi及其同事首次合成COFs以来，已经采用了多种有机反应来开发新型COFs材料[28]。根据形成的共价键类型，COFs通常被分为几类：（1）硼酸酯键合、（2）亚胺键合、（3）腙键合
COFs的设计原理
如上所述，由于COFs的结构多样性，合理设计初始COF框架对于确定其电子性质和催化性能至关重要，但仍是一个主要挑战[71]。COFs是一类结晶多孔聚合物，将有机单元整合到一个具有周期性有序结构和明确孔隙的扩展分子框架中。COFs的设计至少需要两种类型的单体
COFs在太阳能转换中的应用
由于COFs具有先进的电子结构和光物理性质，它们已成为太阳能转换领域有前景的材料。这些固有性质使COFs能够促进两种关键的太阳能利用途径：通过光催化将光能转化为化学燃料，以及直接
结论与展望
本文总结了COFs从基础结构设计到在太阳能转换中广泛应用的发展历程。该领域已从探索多种键合方式（如硼酸酯、亚胺、腙和D-A结构）发展到完善了一系列合成方法（包括溶剂热法、微波辅助法和界面技术），以提高结晶性和可扩展性。在光催化方面，COFs
作者贡献声明
边彦超：撰写初稿、进行形式分析、数据整理。李慧芳：撰写、审稿和编辑、获取资金。徐一尚：数据整理。张立生：方法学研究。张一腾：项目管理。王尚：验证。沈振静：进行形式分析
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号：22373054）、山东省自然科学基金（项目编号：ZR2024MB013）以及山东省重点研发计划（重大科技创新项目）（项目编号：2023CXGC010315）的财政支持
