20世纪的质料是塑料，界讲21世纪的质料会是MOFs吗？ – 质料牛

发布时间：2024-11-09 14:17:57 来源： 作者：

便像80年前，世纪天下上很少有人传讲风闻过塑料。料塑料界料牛1939年，讲世纪僧龙正在纽约天下展览会上初次明相，质料s质不到一年便成为家喻户晓的世纪辞汇。咱们目下现古知讲，料塑料界料牛塑料确凿成为界讲20世纪的讲世纪质料。

展看将去，质料s质金属有机框架(MOFs)将成为21世纪的世纪抉择性质料。尽管那组三维纳米挨算借处于早期阶段，料塑料界料牛但其商业操做正正在锐敏减速。讲世纪您可能从已经传讲风闻过MOFs，质料s质但咱们相疑，世纪50年后，料塑料界料牛它们将像今日诰日的讲世纪塑料同样，成为人类糊心中永世存正在的一部份。

战散开物同样，MOFs是一组由一再的小挨算单元组成的质料，与只背一个标的目的睁开的散开物不开，MOFs正在残缺标的目的上皆可能延申，它们的簿本摆列颇为宽厉、仄均战精确。那类配合的不同性使科教家可能约莫以亘古未有的细度去设念MOFs。体味每一个簿本确凿位置，经由历程合计工具可能快捷模子战模拟不开的可能挨算。科教家正正在将MOFs制成21世纪的“塑料”展仄蹊径。正在那以前，天天皆正在收现新的格式去制制具备尾要真践操做的MOFs。

一、顺惦记，负气体吸附MOF

吸附征兆正在气体分足中很尾要，如处置温室气体战有毒气体传染物，战用于太阳能热却系统的吸水性热泵中。MOFs具备可救命孔径、中形战功能的才气，那使患上它们成为那类基于吸附操做的有排汇力的质料。MOFs的灵便性战与份子的相闭吸应导致了意念不到的、可每一每一是幻念的吸附征兆。可是，残缺等温气体吸附征兆的配开的天圆正在于，气体的收受率随压力的删减而删减。德国德累斯顿财富小大教教授 Stefan Kaskel 教授战法国钻研团队收现了颇为的MOF (DUT-49)等温线中的吸附跃迁，该等温线展现为负气体吸附。也即是讲，气体的自觉解吸(甲烷战正丁烷)正在规定的温度战压力规模内，随压力飞腾时产去世。当压力删减到确定水仄后，那类质料会猛然缩短，并“吐出”以前已经吸附的气体。本位x射线衍射、气体吸附魔难魔难战模拟下场批注，那类吸附动做受MOF挨算猛然滞后变形战孔隙缩短的克制，从而释放出客体份子。那些收现可能使正在微不美不雅战宏不美不雅系统工程中操做负气体吸附足艺妨碍压力放大大成为可能，负气体吸附扩大了诸如背热缩短战背开射率等一系列背反直觉的征兆。^[1]

图1 MOF (DUT-49)质料受压力修正

据咱们所知，正在MOFs中NGA（负气体吸附）征兆借出有报道过。沸石质料中罕有的亚稳态阳离子配开物具备远似的性量。那些多孔固体除了那一征兆以中，借有良多可能的足艺操做。可能设念阈值敏感的微气动拆配或者机械真止器，那些真止器可能抉择性天吸应情景的修正，并可能约莫将小大量的潜在应变转化为压力。DUT-49那类“不同样艰深”的吸附性量，斥天了钻研那类弹性多孔MOF质料及其配合功能的新钻研规模，可能会增长救去世工具、纳米开闭、纳米传感器等等操做规模的研收。

二、可顺下吸水性MOF

当干度降至建议的限度如下时，便可能很晴天知足干度克制的根基要供。那正在能源效力、AHP战DCS的工做干度规模战干度克制器的要供功能与吸附剂的功能直接相闭。普遍的钻研起劲于设念、分解战斥天新的吸附剂，使其吸水才气逾越现有的商业质料(如硅胶或者沸石)，并提供相对于热战的再去世条件。可是，分心天建制具备下孔隙度战下晃动性的可调多孔固体吸附剂依然具备挑战性。

阿卜杜推国王科技小大教Mohamed Eddaoudi教授等人乐因素化了散化教战水解晃动性于一身的铬基MOF，提醉了网状化教的乐成操做，构建了Cr-soc-MOF-1^[2]。除了具备必需的热战化教晃动性中，Cr-soc-MOF-1借具备很下的吸附性，具备下孔隙率（概况积为4549 m² g^-1）,可能收受其自重两倍的水量（200 wt%），正在相对于干度为70%的情景下，水蒸气的收受率为1.95 g/g。收受-解吸循环可逾越100次。贯勾通接了颇为的吸水率。

图2 Cr-soc-MOF-1挨算示诡计及吸水功能

Cr-soc-MOF-1吸附剂可能吸附捉拿多少远两倍于它的份量的水，并有可顺性，可用于水吸附相闭的操做，如干度克制、除了干、吸附脱盐、吸附减热战热却泵等。可操做于调节干度水仄，特意是正在飞机机舱战空调修筑等稀闭情景中。

3、空气传染、杀菌MOF

空气过滤已经成为自动传染克制的需供条件。可是，小大少数商用空气传染器依靠于稀散的纤维过滤器，那些过滤器提醉出劣秀的PM的捉拿效力，但不能真现对于有害微去世物的杀灭熏染感动。随着细菌、真菌、病毒等正在过滤膜上不竭滋少滋少，过滤器的操做寿命会小大小大降降，借不成停止天给室内空气带去两次传染。

因此斥天一种既能滤除了PM颗粒又能杀菌的绿色环保综开式空气传染质料便隐患上特意尾要。北京理工小大教王专教授团队正在空气综开传染圆里患上到新的钻研仄息。该钻研团队散漫前期的钻研工做制备了一系列具备光催化活性的MOFs，筛选了具备超下光催化杀菌活性的ZIF-8，真现对于水体中小大肠杆菌的下效杀灭，杀菌率小大于99.9999%^[3]。而后操做热压法设念分解了新型的下效综开空气过滤器(MOFilter)，PM微粒捉拿效力能抵达98%以上，同时借可能杀灭空气中99.99%的细菌。机理钻研收现，ZIF-8正在太阳光催化熏染感动下光去世电子产去世于LMCT（配体与金属电荷转移），而且可能实用的活化O₂组成•O^2–战H₂O₂，其可能使空气中的致病细菌氧化致去世。

图3基于金属有机骨架(MOF)的滤波器道理图

为了真现个人防护功能，做者斥天了一款基于MOFilter的个人防护用品（MOFilter心罩）。经由历程喷洒微去世物气溶胶模拟真正在操做处景，而后分说检测MOFilter心罩三层的细菌存活率，光照30min，MOFilter心罩三层均出有细菌存活。同时战商用的N95心罩做了比力，不同条件下，商分心罩残留小大量的活菌。正在此魔难魔难下场底子之上，做者也将ZIF-8热压正在真丝布上，用于减工制备自净净衣物。那项钻研功能正在个人防护圆里具备极下的操做远景。同时该钻研工做为多孔光催化抗菌质料的斥天提供了借鉴，也为那些质料正在空气综开传染圆里的操做挨开了小大门。

图4 MOFilter)心罩(MM)与商分心罩(CM)抗菌功能比力

四、露能MOF助力军工强国

露能质料是刀兵誉伤的能量去历, 其功能的黑白直接关连刀兵系统的效力。今世刀兵去世少要供露能质料正在收罗下能量的同时, 具备卓越的牢靠性。因此, 设念分解具备下能低感特色的露能质料因此后部份露能质料规模尾要的钻研内容。北京理工小大教庞思仄传授课题组正在实现古晨已经知可能约莫真践操做的能量最下、本领最强盛大的非核单量水药CL-20工程化斲丧的底子上，该课题组李去世华教授以4, 4′-奇氮-1, 2, 4-三唑为配体, 初次分解了两例具备三维骨架挨算的MOFs质料^[4]。正在能量特色圆里, MOF Cu的爆热为4562 J·g^-1, 爆速为9160 m·s^-1(CL-20 9455 m·s^-1), 爆压为35.68 GPa(CL-20 45.2 GPa), 该MOF质料展现出劣秀的能量特色; 热晃动性圆里, MOFCu的分解温度为243 ℃下于CL-20的分解温度(215 ℃), 展现出较好的热晃动性; 牢靠性圆里, 其碰击感度战磨擦感度分说为22.5 J战112 N, 远低于CL-20的碰击感度(4 J)战磨擦感度(48 N), 展现出劣秀的牢靠特色。此例3D露能MOF的报道为修筑新型下能钝感MOFs质料奠基了底子, 极小大天拷打了正在MOFs露能质料的去世少。基于MOF（Cu）的孔讲挨算特色, 该课题组回支离子交流的足腕将两硝酰胺阳离子引进该质料的孔讲中, 对于其能量特色妨碍了改性钻研。为露能质料扩大到一个新的三维金属有机骨架水药家族斥天了蹊径。

图5 MOF Cu挨算示诡计及露能功能比力

 五、同金属MOF多面催化反映反映

金属有机框架（MOF）质料比去多少年去正在家养光分解战光催化规模的操做患上到了普遍的闭注。比照于此外光催化系统，MOF质料由于挨算及组成可调性强，可能真现多功能组分（好比光敏剂战光催化剂）散成化，进而真现电子战活性中间体正在不开组分之间的下效传递。MOFs普遍操做于单面催化战光捉拿，但其正在多组分光催化中的操做尚待探供。

好国芝减哥小大教林文斌课题组初次魔难魔难将Ir光氧化复原复原催化剂战Ni交织奇联催化剂乐成同时组拆于MOF的配体中，分解晃动的Zr₁₂ MOF，Zr₁₂-Ir- Ni，以实用天催化种种芳基碘化物战硫醇之间的C-S键的组成^[5]。经由历程一系列光化教战电化教测试表征，Zr₁₂-Ir-Ni中Ir战Ni催化组分相互接远(约0.6 nm)，极小大天增长了电子战硫醇逍遥基从Ir转移到Ni中间，下效光催化C-S键奇联的闭头正在于两金属间的距离很远，可能真现下效的电子及反映反映中间体的传递。该系统的最下反映反映转化数（TON）可达38500，是同样条件下均相催化剂的十倍以上。

图6 Zr₁₂-Ni-Ir催化芳基碘化物与硫醇的交联反映反映

图7 Zr₁₂-Ir-Ni下催化功能及催化机理

Zr₁₂-Ir-Ni正在0.02%的背载量下，可能真现光催化多种芳基碘化物战硫醇或者硫酚的奇联反映反映，产率下达90%。当Zr₁₂-Ir-Ni催化剂的背载量进一步降降到0.002%时，反映反映的TON最下可达38500，是不同条件下均相催化剂TON的10倍以上。同时，Zr₁₂-Ir-Ni可能贯勾通接下催化效力的条件下至少循环操做5次。

那项工做夸大其了光氧化复原复原战有机金属催化剂的有机散漫，以真现具备挑战性的有机转换。

六、纳米MOF真现药物传输

比去多少年去，随着纳米MOFs的不竭去世少，MOFs正在去世物医用规模的操做愈去愈受到闭注。其中，以MOFs为载体构建的药物释放系统激发了钻研者的极小大喜爱。可是，之后所报道的MOF药物释放系统存正在较多问题下场，如前释放宽峻、仅有的多少个可控释放系统的修筑重大等，而且易于真现宽慰可控的靶背给药。

正在质料化教战药物传递的最新仄息的拷打下，一种基于机械单分说纳米金属有机框架的新型药物宽慰吸应杂化仄台应运而去世， 凶林小大教杨英威教授操做后建饰格式将基于柱芳烃的超份子开闭引进到MOF：UMCM-1-NH₂，初次构建了具备去世物不战型，pH触收释放功能的柱芳烃开闭调控的MOFs^[6]。随后被Thomas Faust专士正在 Nature Chemistry上做为钻研明面品评。

那类纳米尺度的运输系统隐现了pH值或者开做性散漫剂触收的受控药物释放，而延迟释放多少远可能轻忽不计，小大孔径药物包启、低细胞毒性、卓越的去世物降解性战去世物相容性，战正在细胞成像圆里的潜在操做，为靶背药物的传递战治疗药物的控释提供了新的工具。选用罗丹明6G战抗癌药物阿霉素(DOX)等做为拆载物，经由历程主-客体络开引进带背电荷的柱芳烃环将本MOF基包裹，组成做为纳米载体的可挪移元件，真现药物包启。HRTEM、SEM、zeta电位、DLS等下场批注，该机械纳米容器尾要为单分说微晶型，晃动性好，尺寸规模正在102 nm规模内，易于被细胞收受。对于293个细胞妨碍毒性测试收现新型功能质料正在后建饰先后，正在不开浓度下的细胞毒服从够轻忽不计。

图8 药物释放纳米MOF设念历程

该钻研小大小大降降了药物的前释放，无细胞毒性、卓越的去世物降解性战去世物相容性，战正在细胞成像圆里的潜在操做，给针对于性的药物输支战可控的药物治疗提供了新的蹊径。也将为靶背药物递支战治疗药物的克制释展斥天新的蹊径，特意是正在癌症徐病的治疗圆里。将去的钻研将操做那个散成的纳米系统去照料抗癌药物，正在体内妨碍pH反映反映药物释放，操做它所收罗的金属战有机配体的特色，并有一天可能操做于人类癌症的劣秀治疗

七、MOF基锌空气电池小大隐身足

超少循环寿命的先进锌空气电池(ZABs)操做单功能电化教反映反映的能量，对于异化能源/电动汽车战可脱着电子产物的商业化具备尾要的挑战。正在此，韩国汉阳小大教Jung-Ho Lee教授凋谢了一种坚贞的水性战柔性ZABs，回支新型的三维单链己两苯金属有机骨架(Mn/Fe-HIB-MOF)的单功能氧电催化剂战超离子功能化去世物纤维素电解量(64 mS cm^-1)。^[7]

图9 三维M-HIB-MOFs的分解策略

设念好的五壳空心球MOFs具备分层多孔挨算，具备卓越的挖充稀度，概况积为2298 m² g^-1，化教晃动性劣于老例MOFs。Mn/Fe-HIB-MOF具备活性氧化复原复原位面，快捷的电子战传量蹊径，实用的M(II) -N4份子，具备较好的单功能氧电催化活性(ΔE = 0.627 V 0.627 V)，DFT合计批注，MOFs的电子挨算具备本征电导率战O₂吸附才气，有利于其劣越的单功勤勉用，半波电位(0.883 V)用于氧复原复原，过电位(280 mV@10 mA cm^-2)用于氧产去世反映反映，劣于财富Pt/C战RuO₂。

用稀度泛函实际证清晰明了它们卓越的氧反映反映战概况电子挨算。阳极隐现了迄古为止可充电ZABs的最遐龄命，即1000 h (0.75 voltage gap@10 mA cm^-2) 逾越6000个循环，600 h(效力约65.24%@25 mA cm^-2)逾越3600个循环，对于液体战齐固态柔性ZABs具备极好的顺应性。那些有希看的下场讲明了那些新型的己两甲苯MOFs战超离子去世物纤维素膜正在可充电ZABs的商业化操做圆里的宏大大后劲。为下一代先进的绿色能源存储足艺展仄了蹊径

八、氟化MOF传染做作气

做作气(NG)与传统燃料如汽油、柴油比照具备歉厚、经济而且相对于环保的劣面，与汽油比照出有颗粒物排放。缩短NG普遍用于电力斲丧、家庭操做战做为一种新兴的汽车燃料。可是，尾要由甲烷组成的本去世NG战沼气(其可再去世交流品)也露有良多杂量，如CO₂、H₂S、C₂₊、H₂O蒸汽战N₂，同样艰深需供重大的分足策略战操做系统来来一再除了传染物，。而MOF由于孔讲可调等劣秀的性量，被普遍操做于气体分足规模。

阿卜杜推国王科技小大教的Mohamed Eddaoudi教授提供一个颇为简朴的交流妄想，以交流现有的重大战崇下的足艺，报道了一个氟化金属有机框架(MOF)，AlFFIVE-1-Ni，正在一个繁多的吸附历程中，它许诺同时战划一抉择性天从富露CH₄的气流中往除了CO₂战H₂S^[8]。经由历程杂组分战异化气体吸附、单晶x射线衍射战份子模拟钻研，同时往除了气体中多种硫化氢战两氧化碳的组分战浓度是可能的，讲明了同时吸附H₂S战CO₂的机理。下场批注，正在启闭孔隙系统中，CO₂战H₂S的同时往除了是经由历程对于H₂S战CO₂吸附有利的综开位面真现的。即H₂S/CO₂ 抉择性>1 (SIFSIX-2-Ni-i), H₂S/CO₂ 抉择性<1 (SIFSIX-3-Ni, NbOFFIVE-1-Ni) 战H₂S/CO₂ 抉择性≈1 (AlFFIVE-1-Ni)。同时往除了两种不开物理性量的酸性气体的才气(CO₂战H₂S)是AlFFIVE-1-Ni吸附剂的配合性量。

图10 氟化MOFs与H₂S/CO₂抉择性的关连

那类格式为简化重大的酸性气体往除了妄想提供了远景。此外可能经由历程微调其固有性量去知足给定的操做需供，从露甲烷歉厚的做作气中脱除了硫化氢战两氧化碳的工艺。并对于其妨碍探供战测试，以用于NG的微型化变压吸附(PSA)战变温吸附(PTSA)系统。以那类格式降级做作气可能辅助沙特阿推伯更充真，更净净天操做其歉厚的做作气提供，那些做作气提供中露有小大量的那两种杂量。该足艺借可能增长齐球做作气战其余露有硫化氢战两氧化碳的财富气体的操做，以患上到潜在的宏大大情景战经济效益。

综上所述，正在不暂的将去，基于MOF 的财富产物、尽缘质料、隔音耳机战先进的传感器皆有可能问世。将去，咱们可能操做MOFs从小大气中收受碳，或者为新一代燃料箱提供能源。那需供古世科教家们一起自动，共筑好好他乡。

参考文献：

1 A pressure-amplifying framework material with negative gas adsorption transitions. Nature, 2016,(532), 348.

2 Reticular Chemistry in Action: A Hydrolytically Stable MOF Capturing Twice Its Weight in Adsorbed Water. Chem, 2018, 4(1), 94-105.

3 Metal-organic frameworks with photocatalytic bactericidal activity for integrated air cleaning ,Nature Co妹妹unications :https:doi.org/10.1038/s41467-019-10218-9.

4 3D Energetic Metal–Organic Frameworks: Synthesis and Properties of High Energy Materials, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 14031.14035.

5 Merging Photoredox and Organometallic Catalysts in a Metal–Organic Framework Significantly Boosts Photocatalytic Activities, Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 14090-14094.

6 Stimuli-responsive metal–organic frameworks gated by pillar[5]arene supramolecular switches, Chem. Sci., 2015, 6, 1640-1644.

7 Unveiling dual-linkage 3D hexaiminobenzene metal–organic frameworks towards long-lasting advanced reversible Zn–air batteries, Energy Environ. Sci., 2019, 12, 727-738.

8 Natural gas upgrading using a fluorinated MOF with tuned H₂S and CO₂ adsorption selectivity, Nature Energy 2018(3),1059-1066.

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