MOF材料的研究进展专家讲座

金属有机骨架材料（MOFs）研究进展第1页

纲领contents02MOFs材料在分离领域研究进展01MOFs材料在非分离领域研究进展第2页MOFs材料在非分离领域研究进展1第3页

MOF材料在催化领域研究进展

在早期，因为其结构稳定性局限，对于MOFs应用研究主要是气体储存、气体吸附与分离，而在近十年里，越来越多学者关注于MOFs作为催化剂研究。线性或多面体有机羧酸盐与含金属单元连接得到结构稳固MOFs晶体，其孔隙率是晶体体积50%以上，这么MOFs通常比表面都在1000m2/g以上，甚至能够到达10000m2/g。另外非均相催化方面，即使是最早提出并实现应用之一，不过因为其结构稳定性局限，直到近十年才开始有广泛探索研究，催化领域研究报道开始大都集中于MIL-101系列以及UiO-66系列，即使催化领域研究尚处于发展期，但也有很多引人注目标结果。而且MOFs作为催化剂使用时，不但含有多相催化剂催化后易分离回收、可循环使用特点还有均相催化剂能够不对称催化、能够快速转换等优点。第4页第5页近几年，设计合成大多数MOFs均采取含有两个或两个以上羧基化合物作配体。首先，羧基负电荷密度较大，与金属配位能力较强，且羧基与金属离子有各种配位方式，可形成金属羧酸盐簇或桥连结构，增加了MOFs骨架稳定性和刚性;其次，完全或部分去子化羧基展现出不一样配位几何，易形成更高维数结构;另外，特殊角度相邻羧基(60°，120°，180°)可在尤其方向上连接金属离子，从而取得独特扩展网络。进而了解了MOFs作为催化剂材料特点和羧酸配体MOFs在催化加氢、CO氧化反应、Knoevenage缩合反应、偶联反应、酯交换反应中应用。WangXue-bei，WangJu-yue，SongHui-hua．Chem，，68：4-10羧基配体金属方面第6页针对光活性无机半导体材料在光催化CO2过程中吸附CO2能力弱难题，科学家提出了采取广谱吸光MOFs在其有效富集CO2同时将CO2光催化还原为有用化学品策略。研究人员选择了一个由卟啉四羧酸配体与锆离子构筑MOF（PCN-222），经过有效整合CO2捕捉与可见光光催化双功效于一体，实现了从CO2到甲酸根离子高效/高选择性转化。光催化方面第7页MOF材料吸附去除环境污染物进展伴随当代工农业发展，大量有毒有害污染物进入环境中，严重威胁着人类生存发展。当前，人们在降低污染以及去除环境中污染物方面已经做了很多努力涌现出大量环境污染治理技术，如生物处理法、化学氧化法、高级氧化法、吸附法、膜分离法等。其中，吸附法一直以来备受人们青睐。最近，利用金属有机骨架材料（metal-organicframeworks，简称MOFs）吸附去除环境污染物研究受到人们广泛关注。MOFs是指由金属离子或金属簇与有机配体，经过自组装形成含有三维周期网格结构有机-无机杂化新型多孔材料。MOFs含有超高比表面积、较高且可调孔隙率、结构组成多样性、开放金属位点、化学可修饰等优点，在选择性吸附领域中展现出辽阔应用前景。第8页纺织、造纸、印染、钢铁、焦化、石油、农药、油漆等当代工业发展，产生了大量有机污染物，其中大部分含有致癌、致畸、致突变且难生物降解特点。这些有毒有害有机污染物对环境巨大危害以及带来环境问题越来越被人们所认识。采取MOFs吸附去除水中有机染料受到广泛关注，研究包括有机染料包含甲基橙（MO）、亚甲基蓝（MB）、孔雀石绿（MG）等二甲苯酚橙（XO）[、罗丹明B(RhB)、结晶紫（CV）、刚果红（MG）和荧光素钠等。吸附去除水中有机污染物第9页HAQUE等进行了MOF-235吸附去除MO和MB研究，发觉该MOFs对MO和MB饱和吸附容量分别是是477mg/g和187mg/g，远大于活性炭对它们饱和吸附容量（分别为11mg/g和26mg/g）；MOF-235对染料吸附可能是因为染料和吸附剂之间发生静电作用，MOF-235同时带正电荷（骨架）和负电荷（电荷平衡阴离子）恰好可与分别带有正电荷和负电荷MB和MO发生静电吸附作用。HAQUEE，JUNJW，JHUNGSH.JournalofHazardousMaterials，，185（1）：507-511.第10页金属有机骨架（MOFs）为壳核壳结构材料研究进展近年来，核壳材料合成与应用研究成为材料领域一大热点。从广义上说，核壳结构材料是一个材料经过物理化学作用均匀地包覆在另一个材料表面形成纳米尺度有序核壳结构，还包含空球、微囊等材料。经过裁剪核或壳结构、尺寸，能够调控核壳材料吸附分离、催化、光学、磁学等性质，从而表现出异于单组分核或壳性能。核壳结构材料按外壳来分，主要有金属/非金属类、非金属/金属化合物类、分子筛类和金属有机骨架类。然而，金属有机骨架为壳核壳结构材料研究至今相对比较少，还不是很成熟，因这类核壳材料仍有很大发展潜力。依据不一样核组成，将MOFs为壳核壳结构材料主要分为：单质金属/非金属@MOFs、氧化物@MOFs和MOFs@MOFs。DengY，QiD，DengC，etal.JournaloftheAmericanChemicalSociety，，130（1）：28-29.第11页MOF材料在储氢领域研究进展利用最小羧酸基元合成了当前世界上第一例含有(3,3,5)-c/gdm拓扑网结构GDMU-2-MOF材料，揭示了构筑基元功效化对材料微观结构和性能调整作用，最终实现了对氢气储存能力同时优化，大幅提升材料储氢效率。未来氢能作为氢燃料电池在交通工具中大量应用时，MOF材料可起到主要作用。“GDMU-2-MOF材料含有比表面积和孔容积较大、孔径和拓扑结构可调、热稳定性良好等优点，储氢能力大大增加。MOF材料就像房间一样，孔容积大小像房间面积大小，孔径大小就像我们进房间门，门开得宽，气体进入越多，储氢量就越多。第12页2MOF材料在分离方面研究进展第13页MOF材料在CO2/CH4吸附分离中研究进展生物甲烷过程因为兼具节能、减排、资源化三重战略意义，被誉为是“粪土变黄金，化腐朽为神奇”工程，近年来引发了社会广泛关注。生物甲烷过程需要将生物质发酵产生沼气进行提纯，去除沼气中CO2等气体，使甲烷浓度高于97%。怎样提升CO2分离过程效率，降低过程能耗，是当前研究领域热点。作为21世纪最热门材料之一，金属有机骨架材料（metalorganicframeworks，MOFs）被广泛认为是用于碳捕捉和封存（CCS）过程最具前景材料，近二十年来被广为研究。对于基于吸附分离固体吸附剂材料，吸附容量、吸附热和吸附选择性是评判吸附性能主要标准，理想吸附材料应该含有适当吸附热、高吸附容量和高选择性结合生物甲烷过程特点，生物质发酵过程通常采取中高温发酵方式。RyckeboschE,DrouillonM,VervaerenH.BiomassandBioenergy,,35:1633-1645MatondiPB，HavnevikK，BeyeneA.London:ZedBooks,第14页CO2吸附容量MOFs材料因为具备极高比表面积，孔道内外拥有大量空间能够装填、吸附CO2分子，致使MOF材料CO2吸附容量要远远超出传统多孔材料。第15页CO2吸附热吸附热是指气体吸附过程所产出热量，它代表了气体分子与吸附材料表面作用力。材料CO2吸附热越大，说明CO2与吸附材料作用力越强，选择性就越好，同时脱附时所需能量代价也越高。所以好吸附材料应该含有一个适当吸附热。所以，吸附热普通会伴随CO