功能材料精品课件

1、功能材料课件第1页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一21、什么是MOFs材料？MOFs 材料是金属有机骨架化合物(Metal-Organic Frameworks)的简称。第2页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一3MOFs 材料是由无机金属中心(金属离子或金属簇)与桥连的有机配体通过自组装相互连接，形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料。第3页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一4MOFs 是一种有机-无机杂化材料，也称作配位聚合物（Coordination Polymer），它既不同于传统的无机多孔材料，也不同于一般的有机配

2、合物。第4页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一5MOFs材料的主体结构是由次级结构单元(Secondary Building Unit, SBU)与有机连接体( Linker)之间的相互连接来构筑的，这类材料的孔径形状以及大小都可以通过选择不同的金属中心和有机配体来实现。第5页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一6MOFs，是指“由配体与金属离子通过配位键连接形成的无限网络状聚合物材料”，属于“无机-有机杂化材料”。 MOFs材料兼具无机材料刚性和有机材料柔韧性的特征，使其在现代材料研究方面呈现巨大的发展潜力及诱人的发展前景。第6页，共36页，2022

3、年，5月20日，14点46分，星期一7第7页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一81 D 网络:由金属离子与桥连配体连接而成一维、二维或三维网络结构。2、MOFs材料的结构特点第8页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一92Ni(NO3)2.6H2O + bpe + N(CN)2- Ni(bpe)2(N(CN)2(N(CN)2)(5H2O)n bpe2 D 网络:第9页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一103 D 网络:第10页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一113、制备MOFs材料的方法第11页，共36页，2

4、022年，5月20日，14点46分，星期一122.1 自由金属离子与桥连配体的自组装第12页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一132Ni(NO3)2.6H2O + bpe + N(CN)2- Ni(bpe)2(N(CN)2N(CN)25H2On bpe 第13页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一14 A major advantage of this approach is that the manipulations are very easy. A major disadvantage of this approach is that the o

5、utcomes are often difficult to be predicted since no control is applied on the many factors affecting the structure of a MOF. Factors affecting the structure other than the metal and the linker: (1) counterions, (2) templates (the presence of which within the structure is necessary for its formation

6、), (3) solvents or nonbonding guests, (4) Auxiliary ligands, (5) pH value, (6) hydrothermal/ solvothermal conditions 第14页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一15 2.2 保护性配体法 利用保护性配体预计金属离子形成的配合物与桥连配体组装成MOFs： 保护性配体对所形成MOFs的结构具有控制作用第15页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一162.3 次级构筑单元法 次级构筑单元 ( secondary building unit = S

7、BU) 当桥连配体与金属离子共聚合时, 常能在所形成的结构中识别出簇合体，这些簇合体被称为次级构筑单元。 次级构筑单元仅仅是概念上的单元，在原料中并不包含这样的单元。第16页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一17 Zn4O(BDC)3n8n(DMF)(C6H5Cl) MOF: Zn4O 单元 (Zn: filled circles) linked to six O2C units of BDC groups (C: shaded circles). (b) The same with four ZnO4 tetrahedra shaded. (c) The same wi

8、th the C6 octahedron shaded. (d) The BDC anion (O: open circles, C: shaded circles). (e) The link (the phenyl of the BDC anion).第17页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一18第18页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一19第19页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一20 网络结构被看作是由-C6H4- 基团连接八面体形 (Zn4O)(O2C)6 次级结构单元而成的.第20页，共36页，2022年，5月20日

9、，14点46分，星期一21利用次级结构单元概念可以： 理解MOFs结构预测MOFs结构 设计与合成具有特定结构的MOFs第21页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一22 次级结构单元可以在 MOFs 中导致大的孔洞: 因为在 SBUs的中心之间有很长的距离第22页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一232.4 含金属配体 （MLs）法带有两个或更多能向金属离子配位的配位位置的配合物，这样的配合物能够将其它的金属离子连接起来。 第23页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一24MOFs材料的研究不仅在于其迷人的拓扑结构,更在于它具有可剪裁

10、性和结构多样性的特点，易于进行设计组装和结构调控，为设计纳米多孔材料提供了一种的可行方法。正是由于MOFs 材料多方面的优点和用途，其正受到越来越多的重视。新型结构MOFs 多孔材料的研究及其在应用方面的开发具有重要的理论和应用价值。4、MOFs材料研究意义第24页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一25目前，国际上许多化学家、物理学家和材料学家的研究结果表明，MOFs 多孔材料在气体的储存、催化剂、分离及光电磁材料等方面具有重要的应用价值。另外，金属位在大量的分子识别过程中起关键性的作用，因为金属位能产生高度的选择性和分子的储存和传送。MOFs材料经常具有不饱和金属位和大

11、的比表面积，这在化学工业有着广阔的应用前景。第25页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一26 当前, MOFs材料是化学、能源、环境和材料等多学科共同关注的研究热点和前沿，有关研究的结果被大量发表在 Science、Nature、Nature Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc. 等国际顶级期刊上。 这类材料在能源、环境污染治理、纳米材料、光电功能材料、医药、化工等很多领域具有广阔的应用前景，有望在解决人类社会所面临的许多重大问题的过程中发挥重要作用。第26页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一27

12、 将氢能用在汽车上是解决石油紧缺的重要途径，设计燃料箱，即氢气的存储则是其关键问题，目前解决这一问题的方法效果都不理想。 新近文献报道了一种MOFs多孔材料，在77K时不加压条件下，其部分区域可以比迄今为止任何材料吸附更多的氢，这为氢能的广泛应用展示了光明的前景。第27页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一28MOF-74结构中存储着管状的重氢分子。灰色代表碳原子，蓝色代表锌离子，绿色代表重氢（氘）分子。 第28页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一29通过学校图书馆的ACS及RSC数据库，任选一篇关于MOFs材料的光、电、磁、吸附、催化等性能方面的研究

13、论文，仔细研读后，写出一篇不少于200字的读后感。 课后作业第29页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一30MOFs材料设计原理第30页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一31MOFs 包括两个重要的组分：结点（connectors,网络结构中的节点）和联接体（linkers,联接网络结构结点间的化学键或包含多个化学键的有机官能团）。在多孔MOF中，人们通常把金属离子看作为结点，配体作为联接体。第31页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一32由于MOFs的网格结构可以看作是各自具有不同连接数的配体（联接体）和金属离子结点间的组合，因此

14、，金属离子的配位构型和配体的几何构型对于所形成的多孔MOFs的结构和性能起决定性的作用，所以，构筑MOFs时首先要考虑配体的几何构型和金属离子的配位构型的倾向性，因为所产生的网格结构的基本类型主要依赖于它们的对称性和成键点的数量。 第32页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一33配体是骨架的重要组成部分，可以分为单齿配体和多齿配体，它是具有构件作用的分子或离子，控制着金属离子之间的距离和配合物的维数。由于配体本身具有特定的结构和不同的配位方式，在不同的合成条件下，即使相同的配体与金属离子的配位模式也是不一样的。1. 有机配体的选择第33页，共36页，2022年，5月20日，

15、14点46分，星期一34选择合成MOFs 的有机配体应至少含有一个多齿基团或含有多个单齿配位原子，如CO2H、PO3H、SO3H 和吡啶基等。单齿配体合成的骨架结构比较简单，但稳定性较差。多齿配体的配位情况比较复杂，得到的配合物稳定性较好。有机配体主要包括羧酸类、氨类、吡啶类、醇类和腈类等。常见的中性配体为含氮杂环类化合物。 第34页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一35构筑MOFs 的另一要素是金属离子。金属离子在构筑配位聚合物中充当连接配体的结点，不同金属离子具有不同的配位数和配位构型，因而在构筑MOFs 中起着不同的连接作用。近几年，除过渡金属离子外, 稀土金属离子尤其是镧系金属离子开始被使用，它们的配位数较高, 为7、8或9配位, 可以形成具有丰富多彩结构的MOFs。 2. 金属离子的选择第35页，共36页，2022年，5月20日，14点46分，星期一36