湿度智能驱动器（致动器）是一种在水蒸气刺激下可以可逆地改变其形状/体积，将水汽能转化为机械能的智能材料。传统的湿度响应材料主要由天然纤维素、水凝胶和线性高分子等组成。这些体系通常具有较大的柔性和响应幅度（如弯曲曲率），但由于缺乏结构刚度，其驱动力往往不足。
图1 湿度响应COF驱动器的仿生构建策略示意
受生物结构（如动物手臂具有刚柔并济结构）的启发（图1），南开大学化学学院张振杰课题组引入刚性框架材料（如共价有机框架，COFs）来模拟内骨骼以增强材料的刚性和自支撑能力，同时引入柔性聚合物链（如聚乙二醇，PEG）来模拟肌肉组织以增强材料柔性并带来驱动功能，制备了一系列“刚柔并济”的湿度响应薄膜驱动器（PEG-COF-x）（图2）。
图2 PEG-COF-x驱动器的制备与表征
图3 PEG-COF-x驱动器驱动机理的研究
COF材料明晰有序的结构便于研究驱动器的湿度驱动机制。通过粉末衍射、红外光谱等表征发现PEG基团吸水溶胀使COF层间膨胀，脱水后使COF层收缩（图3e），从而引起材料的智能驱动响应。SEM电镜数据证明PEG-COF-x膜具有一侧致密，另一侧松散的不对膜结构（图3f），使得其可在均匀水汽环境中产生弯曲运动（图3a, 3b）。此外，得益于COFs对水汽的快速吸附和脱附行为（图3c, 3d），使得其在微小湿度变化下产生运动。因此，PEG-COF-x膜可以在水面上方进行自振荡。当PEG-COF-x膜垂直放置在水面上方时会受湿度刺激开始弯曲远离水面，位置的变化伴随着膜周围环境湿度的降低，到达临界位置时COF膜开始脱附水分子并恢复至原始竖直形状，这一过程可以循环往复实现连续自发运动（图4）。为了将自驱动产生的机械功进一步转化成电能，作者将PEG-COF-x湿度驱动器与压电聚偏氟乙烯（PVDF）复合，实现了机械能到电能的高效转化。在水面上方，该器件能够稳定的连续输出电能超过两天（图5）。
图4 PEG-COF-4驱动器的应用及自驱动性能研究
图5 湿度驱动发电机的组装与性能
综上所述，作者将刚性COF材料与柔性PEG结合，成功地制备了一类刚柔并济的COF膜驱动器。该策略显著改善了复合膜的力学性能和湿度响应性能。湿度驱动器进一步与压电材料耦合，可实现稳定连续的电能输出。这项研究为可持续自发能量转换设备的开发开辟了一条新道路。
该工作以“Engineering Covalent Organic Frameworks with Polyethylene Glycol as Self-Sustained Humidity-Responsive Actuators”为题发表在《Angewandte Chemie International Edition》上（DOI: 10.1002/anie.202216318）。南开大学化学学院研究生毛天晖、刘沼沂为共同第一作者，张振杰研究员为通讯作者。该研究得到了程鹏教授、国家自然科学基金面上项目和111计划的支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202216318
来源：高分子科技
先进能源材料化学教育部重点实验室（南开大学）
Key Laboratory of Advanced Energy Materials Chemistry, Ministry of Education (Nankai University)