从顶刊Chemical Reviews学术动态,看明星MOF材料如何Rock the world


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材料牛注:

对于专业的材料人来说,不管具体是研究什么方向的材料,对于MOF这个“大明星”大家肯定很熟悉,MOF近十年来发展迅速(“目前,在化学领域,MOF是发展最快的材料种类。”该领域先驱之一、美国加州大学伯克利分校化学家Omar Yaghi说)的一种配位聚合物,一般以金属离子或团簇与有机配位体相互键合,构成空间3D结构,系沸石和碳纳米管之外的又一类重要的新型多孔材料。化学、材料类的顶级期刊(如JACS、Angew)上经常能够看到它的身影。在这方面有名国外科学家有kitagawa,Yaghi等人,而国内的中科院福建物质结构研究所(洪茂椿院士)、浙江大学、南京大学等也是MOF方面的“专业户”哦!

总会有人问,这个材料有什么用呢?Ok,今天小编就带你领略它的魅力!

【发光】

因为光让万物生长,让我们的夜晚不再黑暗,让我们享受灯红酒绿,让世界更精彩!

材料发光分为光致发光和电致发光,对于MOF而言更多的研究的是其光致发光(分为荧光和磷光两种)。它的发光主要来源四个方面:配体发光、镧系金属离子发光、电荷迁移发光、客体发光。基于MOF的发光可以实现一系列的应用:

  • 高度灵敏传感与检测

首先,我们合成出来能够发光的MOF,可以利用其光物理性能的变化来对环境污染物、有机小分子、不同种类的气体、环境的温度、环境pH等进行检测。

这主要是利用物质或环境与MOF的结构相互作用,当MOF的结构和组成变化时,其发光性能就会发生变化,人们就可以根据其光的变化来判断环境与物质的组成。试想一下,以后的汽车尾气的检测器可能就会是MOF材料做的哦!

图1 MOF对于不同金属离子的识别

  • 光学可调性LED

由于MOF材料的结构多样性与光学性能可调性,到目前为止科学家们已经设计了很多的可调的MOF发光LED。它相对其他的LED材料,最大的有点就是其光学可调性。这点就很重要,这意味着人们可以根据自己的实际需要来设计LED,设计发光!

那具体是怎么调节发光的颜色呢?有调节组成、调节温度、调节结构等手段。

图2 应用LED的MOF

  • 生物成像与药物缓释

“材料是人类发展的基石”,这还是我们材料人在许多师兄、师姐博士论文开头部分中看到的一句话。说明材料无所不在,对于人类的发展是至关重要的,随着材料科学的迅猛发展,材料是一门交叉学科的这个定论是无需质疑的!如与生物、化学、物理等学科的交叉。

MOF的载药量较高、生物兼容性好,可广泛用于药物载体,如MIL-100和MIL-101对布洛芬有较好的载药和释放效果;其固载率和缓释时间分别为350mg/g,3天和1400mg/g,6天。还可以利用其磁性实现靶向给药。

CT、MRI是医院里常用检查身体的仪器,可以检查出身体的病变,对于医生的判断起到了很大的作用。由于MOF优异的发光性能,可以用作MRI的造影剂,使得检查更加清楚、准确!

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图3 MOF在生物成像中的应用

【催化】

MOF的特点就是多孔性和比表面积高,这可以使得其在催化领域大显身手了,众所周知的纳米材料可以作为高效的催化剂,但是它表明能很高,这就使得它在催化反应过程中特别容易团聚在一起,那么催化性能就会大打折扣,利用MOF作为催化载体就可解决这个问题,因为MOF的孔可以多不同的纳米粒子有着保护作用,也提高了催化剂的使用寿命,如可以包覆一些生物酶用于催化生化反应。

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图4 MOF包覆催化剂

此外,MOF本身就可作为催化剂,可以用于光催化、催化加氢、偶联反应等。那么其催化性能从哪来呢?可来源于MOF上面的有机配体(一些官能团),金属活性位点,客体分子等。可控的孔结构可以实现某些物质的选择性催化。

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图5 MOF催化酰基转移

【吸附】

老家的那一流溪水已不再那么清澈。水是生命之源,在我国经济快速发展的过程中,留下了很多环境问题,其中水污染非常严重,对于水中污染物的去除对于人类的健康至关重要,科研人员们对此作出了很多努力,如通过光催化降解、吸附等。

MOF材料孔多,比表面积高,其中一些MOF还具有磁性,所以MOF就可以在吸附水中污染物方面大展身手了,可作为一种高效的吸附剂。近期的JACS就发表了与这相关的paper(刚接收的哦)。

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图6 MOF-5对于不同浓度的苯并噻吩的吸附动力学

【气体分离与储存】

一个由闪闪发光的钢铁建成的小城市横跨德国莱茵河,这里是化学巨头巴斯夫公司的总部。2013年-2014年间,这里小部分箱式送货车和小汽车携带着一个大秘密:燃料箱塞满了一种与众不同的晶体材料(没错,就是MOF),材料上面充满了直径约1纳米的小孔。这些孔内部存在着整齐堆叠的甲烷分子,准备着为货车的内燃机提供燃料。在过去,MOF被认为不稳定,无法在现实应用,通常一旦客体分子被移除,它们就会立刻崩溃。但是随着其飞速发展,这个定论被打破了!

MOF可调节的孔径可以实现对于不同尺寸气体分子的分离,CO2捕捉。它有着大量的孔和特殊的孔道结构,可以实现用于气体的储存,现在MOF-177在77K下的储氢能力已达到很高了。MOF材料在未来将大行其道,将可能改变现在传统的气体存储方式,实现在低的压力下储存更多的气体,降低运输的效率,对于交通运输业影响甚大!

图7 MOF结构示意图与不同温度下对于CO2捕捉性能

图8 77K下H2负载量与BET比表面积之间的关系

【总结】

综上所述,可以看到MOF的神威了吧!虽然在MOF应用的过程中还有很多难题需要解决,但是我们材料人相信飞速发展的科学技术会解决这些瓶颈。

由于小编的专业水平有限,各位大神、大牛们如果发现有什么问题的话请原谅哦,可以随时联系我们工作人员以便及时更正。

参考文献(Chemical Reviews IF=46.568):

Hydrogen Storage in Metal-Organic Frameworks

Luminescent Functional Metal-Organic Frameworks

Metal–organic framework materials as catalysts

Metal-Organic Framework Materials as Chemical Sensors

本文由材料人编辑部学术组朱德杰供稿,材料牛编辑整理。

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