MOF材料的研究進展專家講座

金屬有機骨架材料（MOFs）研究進展MOF材料的研究進展專家講座第1頁

綱領(lǐng)contents02MOFs材料在分離領(lǐng)域研究進展01MOFs材料在非分離領(lǐng)域研究進展MOF材料的研究進展專家講座第2頁MOFs材料在非分離領(lǐng)域研究進展1MOF材料的研究進展專家講座第3頁

MOF材料在催化領(lǐng)域研究進展

在早期，因為其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性局限，對于MOFs應用研究主要是氣體儲存、氣體吸附與分離，而在近十年里，越來越多學者關(guān)注于MOFs作為催化劑研究。線性或多面體有機羧酸鹽與含金屬單元連接得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)固MOFs晶體，其孔隙率是晶體體積50%以上，這么MOFs通常比表面都在1000m2/g以上，甚至能夠到達10000m2/g。另外非均相催化方面，即使是最早提出并實現(xiàn)應用之一，不過因為其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性局限，直到近十年才開始有廣泛探索研究，催化領(lǐng)域研究報道開始大都集中于MIL-101系列以及UiO-66系列，即使催化領(lǐng)域研究尚處于發(fā)展期，但也有很多引人注目標結(jié)果。而且MOFs作為催化劑使用時，不但含有多相催化劑催化后易分離回收、可循環(huán)使用特點還有均相催化劑能夠不對稱催化、能夠快速轉(zhuǎn)換等優(yōu)點。MOF材料的研究進展專家講座第4頁MOF材料的研究進展專家講座第5頁近幾年，設(shè)計合成大多數(shù)MOFs均采取含有兩個或兩個以上羧基化合物作配體。首先，羧基負電荷密度較大，與金屬配位能力較強，且羧基與金屬離子有各種配位方式，可形成金屬羧酸鹽簇或橋連結(jié)構(gòu)，增加了MOFs骨架穩(wěn)定性和剛性;其次，完全或部分去子化羧基展現(xiàn)出不一樣配位幾何，易形成更高維數(shù)結(jié)構(gòu);另外，特殊角度相鄰羧基(60°，120°，180°)可在尤其方向上連接金屬離子，從而取得獨特擴展網(wǎng)絡(luò)。進而了解了MOFs作為催化劑材料特點和羧酸配體MOFs在催化加氫、CO氧化反應、Knoevenage縮合反應、偶聯(lián)反應、酯交換反應中應用。WangXue-bei，WangJu-yue，SongHui-hua．Chem，，68：4-10羧基配體金屬方面MOF材料的研究進展專家講座第6頁針對光活性無機半導體材料在光催化CO2過程中吸附CO2能力弱難題，科學家提出了采取廣譜吸光MOFs在其有效富集CO2同時將CO2光催化還原為有用化學品策略。研究人員選擇了一個由卟啉四羧酸配體與鋯離子構(gòu)筑MOF（PCN-222），經(jīng)過有效整合CO2捕捉與可見光光催化雙功效于一體，實現(xiàn)了從CO2到甲酸根離子高效/高選擇性轉(zhuǎn)化。光催化方面MOF材料的研究進展專家講座第7頁MOF材料吸附去除環(huán)境污染物進展伴隨當代工農(nóng)業(yè)發(fā)展，大量有毒有害污染物進入環(huán)境中，嚴重威脅著人類生存發(fā)展。當前，人們在降低污染以及去除環(huán)境中污染物方面已經(jīng)做了很多努力涌現(xiàn)出大量環(huán)境污染治理技術(shù)，如生物處理法、化學氧化法、高級氧化法、吸附法、膜分離法等。其中，吸附法一直以來備受人們青睞。最近，利用金屬有機骨架材料（metal-organicframeworks，簡稱MOFs）吸附去除環(huán)境污染物研究受到人們廣泛關(guān)注。MOFs是指由金屬離子或金屬簇與有機配體，經(jīng)過自組裝形成含有三維周期網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有機-無機雜化新型多孔材料。MOFs含有超高比表面積、較高且可調(diào)孔隙率、結(jié)構(gòu)組成多樣性、開放金屬位點、化學可修飾等優(yōu)點，在選擇性吸附領(lǐng)域中展現(xiàn)出遼闊應用前景。MOF材料的研究進展專家講座第8頁紡織、造紙、印染、鋼鐵、焦化、石油、農(nóng)藥、油漆等當代工業(yè)發(fā)展，產(chǎn)生了大量有機污染物，其中大部分含有致癌、致畸、致突變且難生物降解特點。這些有毒有害有機污染物對環(huán)境巨大危害以及帶來環(huán)境問題越來越被人們所認識。采取MOFs吸附去除水中有機染料受到廣泛關(guān)注，研究包括有機染料包含甲基橙（MO）、亞甲基藍（MB）、孔雀石綠（MG）等二甲苯酚橙（XO）[、羅丹明B(RhB)、結(jié)晶紫（CV）、剛果紅（MG）和熒光素鈉等。吸附去除水中有機污染物MOF材料的研究進展專家講座第9頁HAQUE等進行了MOF-235吸附去除MO和MB研究，發(fā)覺該MOFs對MO和MB飽和吸附容量分別是是477mg/g和187mg/g，遠大于活性炭對它們飽和吸附容量（分別為11mg/g和26mg/g）；MOF-235對染料吸附可能是因為染料和吸附劑之間發(fā)生靜電作用，MOF-235同時帶正電荷（骨架）和負電荷（電荷平衡陰離子）恰好可與分別帶有正電荷和負電荷MB和MO發(fā)生靜電吸附作用。HAQUEE，JUNJW，JHUNGSH.JournalofHazardousMaterials，，185（1）：507-511.MOF材料的研究進展專家講座第10頁金屬有機骨架（MOFs）為殼核殼結(jié)構(gòu)材料研究進展近年來，核殼材料合成與應用研究成為材料領(lǐng)域一大熱點。從廣義上說，核殼結(jié)構(gòu)材料是一個材料經(jīng)過物理化學作用均勻地包覆在另一個材料表面形成納米尺度有序核殼結(jié)構(gòu)，還包含空球、微囊等材料。經(jīng)過裁剪核或殼結(jié)構(gòu)、尺寸，能夠調(diào)控核殼材料吸附分離、催化、光學、磁學等性質(zhì)，從而表現(xiàn)出異于單組分核或殼性能。核殼結(jié)構(gòu)材料按外殼來分，主要有金屬/非金屬類、非金屬/金屬化合物類、分子篩類和金屬有機骨架類。然而，金屬有機骨架為殼核殼結(jié)構(gòu)材料研究至今相對比較少，還不是很成熟，因這類核殼材料仍有很大發(fā)展?jié)摿ΑＲ罁?jù)不一樣核組成，將MOFs為殼核殼結(jié)構(gòu)材料主要分為：單質(zhì)金屬/非金屬@MOFs、氧化物@MOFs和MOFs@MOFs。DengY，QiD，DengC，etal.JournaloftheAmericanChemicalSociety，，130（1）：28-29.MOF材料的研究進展專家講座第11頁MOF材料在儲氫領(lǐng)域研究進展利用最小羧酸基元合成了當前世界上第一例含有(3,3,5)-c/gdm拓撲網(wǎng)結(jié)構(gòu)GDMU-2-MOF材料，揭示了構(gòu)筑基元功效化對材料微觀結(jié)構(gòu)和性能調(diào)整作用，最終實現(xiàn)了對氫氣儲存能力同時優(yōu)化，大幅提升材料儲氫效率。未來氫能作為氫燃料電池在交通工具中大量應用時，MOF材料可起到主要作用?！癎DMU-2-MOF材料含有比表面積和孔容積較大、孔徑和拓撲結(jié)構(gòu)可調(diào)、熱穩(wěn)定性良好等優(yōu)點，儲氫能力大大增加。MOF材料就像房間一樣，孔容積大小像房間面積大小，孔徑大小就像我們進房間門，門開得寬，氣體進入越多，儲氫量就越多。MOF材料的研究進展專家講座第12頁2MOF材料在分離方面研究進展MOF材料的研究進展專家講座第13頁MOF材料在CO2/CH4吸附分離中研究進展生物甲烷過程因為兼具節(jié)能、減排、資源化三重戰(zhàn)略意義，被譽為是“糞土變黃金，化腐朽為神奇”工程，近年來引發(fā)了社會廣泛關(guān)注。生物甲烷過程需要將生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生沼氣進行提純，去除沼氣中CO2等氣體，使甲烷濃度高于97%。怎樣提升CO2分離過程效率，降低過程能耗，是當前研究領(lǐng)域熱點。作為21世紀最熱門材料之一，金屬有機骨架材料（metalorganicframeworks，MOFs）被廣泛認為是用于碳捕捉和封存（CCS）過程最具前景材料，近二十年來被廣為研究。對于基于吸附分離固體吸附劑材料，吸附容量、吸附熱和吸附選擇性是評判吸附性能主要標準，理想吸附材料應該含有適當吸附熱、高吸附容量和高選擇性結(jié)合生物甲烷過程特點，生物質(zhì)發(fā)酵過程通常采取中高溫發(fā)酵方式。RyckeboschE,DrouillonM,VervaerenH.BiomassandBioenergy,,35:1633-1645MatondiPB，HavnevikK，BeyeneA.London:ZedBooks,MOF材料的研究進展專家講座第14頁CO2吸附容量MOFs材料因為具備極高比表面積，孔道內(nèi)外擁有大量空間能夠裝填、吸附CO2分子，致使MOF材料CO2吸附容量要遠遠超出傳統(tǒng)多孔材料。MOF材料的研究進展專家講座第15頁CO2吸附熱吸附熱是指氣體吸附過程所產(chǎn)出熱量，它代表了氣體分子與吸附材料表面作用力。材料CO2吸附熱越大，說明CO2與吸附材料作用力越強，選擇性就越好，同時脫附時所需能量代價也越高。所以好吸附材料應該含有一個適當吸附熱。所以，吸附熱普通會伴隨CO2覆蓋率增加而降低。MOF材料的研究進展專家講座第16頁CO2選擇性在CO2/CH4分離過程中，CO2選擇性是選擇吸附材料充要條件。選擇性產(chǎn)生主要基于基于吸附選擇性熱力學分離機理，利用CO2、CH4分子物理性質(zhì)如四極矩等差異，造成氣體分子與MOF材料表面作用力不一樣，進而發(fā)生選擇性吸附。MOF材料的研究進展專家講座第17頁MOFs前景展望伴隨人們對有機和無機部分連接逐步了解,MOFs潛在應用價值逐步得到表達。MOFs已經(jīng)由一個新奇物質(zhì)轉(zhuǎn)化成了一個功效材料。這不但僅是因為它們具備了常規(guī)