金属有机骨架(MOFs)衍生材料及其在催化领域的研究进展

金属有机骨架(MOFs)材料是一类具有大比表面积和可调孔结构的新型多孔材料,近年来在催化制备精细化学品领域受到广泛关注。在实际催化过程中,MOFs较差的稳定性制约了其在许多反应中的应用。以MOFs为前驱体制备的MOFs衍生材料能够保留MOFs材料结构上的优势,同时解决其稳定性差的问题,极大拓展MOFs材料在催化反应中的应用。综述MOFs衍生材料在催化领域特别是在加氢和氧化制备精细化学品中的研究进展,并对MOF衍生材料面临的问题及其在催化领域的应用前景进行了展望。

金属有机框架材料(MOFs)的电子束辐射稳定性

本研究在不同气氛(空气、氮气)、分散液(水、甲醇、乙醇)以及不同剂量条件下对4种典型的金属有机框架材料(MOFs)(MIL-101(Cr)、ZIF-8、UiO-66和UiO-66-NH2)进行了电子束辐照处理。通过傅里叶变换红外光谱、X射线衍射谱和扫描电子显微镜等方法对MOFs材料在辐照前后的化学组成、晶体结构和表面形貌进行表征。结果表明,上述4种MOFs材料在高于5000 kGy的剂量辐照后,其相应的红外特征峰、衍射峰和表面形貌特征均未产生显著变化,表现出了良好的辐射稳定性。这为MOFs材料在辐射环境下的进一步应用提供了研究基础。

MOFs膜在离子分离中的应用研究进展

金属有机框架(MOFs)材料在膜技术领域受到的关注日益增长,其规则且高度可调的亚纳米尺寸孔道结构、高孔隙率以及官能化修饰的灵活性,使MOFs膜在精细化离子筛分方面表现出良好的应用潜力。近年来,离子在MOFs多晶膜、MOFs混合基质膜和MOFs通道膜体系内的选择性传输行为相继被报道,基于MOFs材料的结构-性能关系,通过可控设计以优化膜的选择性和稳定性取得了诸多进展。系统地梳理了上述MOFs膜的制备、离子选择性分离机理和优化思路,对比分析了其各自的特点和实际应用面临的挑战,基于此,提出MOFs膜在离子分离领域的潜在发展方向。

PDMS/Cu-MOFs超疏水织物的制备及性能

以三水合硝酸铜和和1,3,5-苯羧酸为前驱体,在棉织物表面原位生长铜基金属有机框架(Cu-MOFs),赋予棉织物表面一定的粗糙结构,同时借助聚二甲基硅氧烷(PDMS)的疏水整理,制备了具有优异的油水分离能力的超疏水织物。利用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射仪(XRD)等对超疏水棉织物表面形貌、结构及组成进行表征,并进行相关性能测试。结果显示:超疏水棉织物不仅具有出色的抗紫外性能,同时也具有良好的自清洁和油水分离性能。在油水分离测试中,对不同种类的油的分离效率均能达到95%以上。

MOFs耦合木材复合材料在环境修复方面应用研究进展

在中国积极倡导“绿水青山就是金山银山”的绿色发展理念下,开发高效、低成本、零污染的先进可循环污染物去除技术,对于实现“绿水青山”目标至关重要。然而,当前主流的污染物去除技术,如活性炭吸附、高级氧化、膜分离等,虽具备成本优势,却常伴随去除效率低、能耗高及二次污染等问题。在此背景下,以纳米材料为核心的环境纳米技术(涵盖吸附、催化、膜分离等领域)凭借其高效性和功能多样性,在环境修复领域引发了广泛关注。金属有机骨架材料(MOFs)作为一类由金属离子与有机配体构筑的、具有1~3维结构的多功能晶态材料,因其有序的孔道结构、丰富的化学组成及高比表面积,在环境修复领域展现出良好的应用前景。然而,MOFs的粉末形态及其固有的易碎性、不宜加工性及低相容性,限制了其在回收、成型等方面的应用,从而阻碍了其在实际场景中的广泛推广。生物质材料,特别是木材,因其种类丰富、成本低廉及天然的高孔隙率等特性,在环境修复领域备受青睐。木材的多维孔道结构、丰富的羟基/羧基官能团以及良好的加工性能,使其成为固定粉末状MOFs的理想载体。近年来,国内外学者利用木材的这些本征特性,将MOFs作为新型载体,引入功能化纳米粒子或非均相催化剂等活性组分,构建了一系列新型复合结构体系,这些体系在木材、纤维素、凝胶等生物质及其衍生物基复合材料的制备和生物质催化转化中展现出巨大潜力。本文系统阐述了MOFs与木材的耦合策略,包括混合浸泡法、真空浸渍法、溶剂热法及原位生长法等,并深入解析了MOFs负载于木材表面形成MOFs/木材复合材料的机理,如物理吸附、润湿作用、毛细现象及构造成核位点等。同时,梳理并总结了当前MOFs材料在生物质及其衍生化学品领域的研究进展,重点讨论了MOFs/木材复合材料在气相污染物吸附、重金属离子去除、有害颗粒物过滤及高级氧化等环境修复领域的应用现状,并阐明了MOFs微观结构设计与复合材料宏观性能之间的内在联系。最后,展望了MOFs/木材复合材料未来发展所面临的机遇与挑战,为构建面向环境实际应用的MOFs基复合材料提供了新视角,有望进一步推动其在环境修复领域的广泛应用。

不同配体Ce-MOFs衍生的CeO_(2)催化剂的制备及催化性能研究

通过水热合成法合成了有机配体不同的前驱体铈基金属-有机骨架,经过400℃煅烧得到CeO_(2)催化剂用于催化氧化甲苯,并研究了催化剂的性能。结果表明,在反应温度为180~260℃、质量空速为60000mL/(g·h)条件下,催化剂活性顺序为CeO_(2)-B>CeO_(2)-M>CeO_(2)-A(B、M、A分别是有机配体4,4′-联吡啶、2-甲基咪唑、2-氨基对苯二甲酸的英文首字母)。CeO_(2)-B在215℃对甲苯的降解率达到92.9%,在30h稳定性测试中保持优异的催化性能,其优异的催化活性得益于较大的比表面积(126.72m^(2)/g)、孔容(0.19cm^(3)/g)、平均孔径(5.44nm)、较高的Ce^(3+)含量(19.97%)和表面化学吸附氧含量(43.63%)。X射线衍射、全自动比表面积分析仪、扫描电子显微镜、氢气-程序升温还原、X射线光电子能谱等表征证明,有机配体会影响催化剂的比表面积、孔容、孔径和粒径等物理性质。

锌基MOFs材料在肿瘤治疗领域的应用进展

金属-有机框架(MOFs)是由含氧或氮的有机配体与过渡金属通过自组装连接而形成的具有周期性网状结构的晶体材料。该类材料因具有尺寸结构可调、高孔隙率、比表面积大、低晶体密度等一系列优点,而受到多个学科研究人员的重视。其中,锌(Zn)基MOFs材料因其优越的生物相容性和易功能化修饰等特点,受到了广泛的关注。文章主要从药物递送和协同抗癌等方面总结了Zn基MOFs材料的生物应用.

金属有机骨架材料(MOFs)基催化剂在加氢反应中的研究进展

加氢是精细化学品生产过程中一类重要的反应。在加氢反应中,高活性和高选择性催化剂的设计是关键因素也是面临的巨大挑战。近年来,金属有机骨架材料(MOFs)由于其比表面积大、孔道尺寸可调和活性点位负载方式多样等特点被广泛应用于加氢催化剂的制备中。从MOFs基催化剂在不饱和烃的加氢反应、醛的加氢反应和CO_(2)加氢反应3个方面的应用出发,综述MOFs基催化剂在加氢反应中的研究现状和存在的问题,并对MOFs基催化剂在加氢领域的发展方向进行展望。

The effects of amino groups and open metal sites of MOFs on polymer-based electrolytes for all-solid-state lithium metal batteries

Metal-organic frameworks(MOFs) are becoming more and more popular as the fillers in polymer electrolytes in recent years. In this study, a series of MOFs(NH_(2)-MIL-101(Fe), MIL-101(Fe), activated NH_(2)-MIL-101(Fe) and activated MIL-101(Fe)) were synthesized and added to PEO-based solid composite electrolytes(SCEs). Furthermore, the role of the —NH_(2) groups and open metal sites(OMSs) were both examined. Different ratios of MOFs vs polymers were also studied by the electrochemical characterizations. At last, we successfully designed a novel solid composite electrolyte containing activated NH_(2)-MIL-101(Fe),PEO, Li TFSI and PVDF for the high-performance all-solid-state lithium-metal batteries. This work might provide new insight to understand the interactions between polymers and functional groups or OMSs of MOFs better.

MOFs基电化学传感器及其重金属离子检测应用研究进展

现代工业化快速发展,重金属等环境污染严重影响公众健康和生态系统安全。基于MOFs及其复合材料的电化学传感系统是重金属污染物分析检测领域的研究热点。综述了基于MOFs及其复合材料的电化学传感器的构建及其在重金属离子检测中的应用研究进展,简要概述了MOFs材料的组成、结构、分类命名、制备技术、电化学传感优势性能等;探讨了MOFs/碳纳米材料、MOFs/金属纳米材料和MOFs/导电聚合物复合材料应用于电化学传感器的优势特性;详细讨论了MOFs基电化学传感器在Pb^(2+)、Hg^(2+)和Gd^(2+)等重金属离子检测方面的应用研究进展;对MOFs基电化学传感器在重金属离子检测应用中的优势及存在的问题进行了分析,并对未来研究发展趋势进行了展望。

金属有机框架化合物(MOFs)在水、食品以及化妆品检测中的应用进展

样品前处理是整个分析检测过程的重要环节,开发高效、绿色化的前处理技术是目前的研究趋势。近年来,金属有机框架化合物(MOFs)凭借其优异的物理化学性质(高比表面积、均匀的孔腔、良好的热稳定性以及高孔隙率)作为固相萃取(SPE)吸附材料,在绿色化学检测(GAC)领域得到了广泛的应用。综述了近年来MOFs作为固相萃取吸附剂,检测水、食品以及化妆品中有害物质样品前处理研究进展,以期为这些领域相关的科研人员和检测人员提供新的思路。

硼亲和功能化MOFs的制备及其吸附木犀草素性能研究

本研究通过金属配体片段共组装(MLFC)策略引入4-羧基苯硼酸(CPBA)作为硼亲和功能成分,和1,4-对苯二甲酸(BDC)作为混合有机配体,制备了硼酸亲和功能化MOFs(UiO-66-BA).研究了不同CPBA;BDC的摩尔比对UiO-66-BA框架结晶度和对木犀草素(LTL)吸附性能的影响.结果表明,当CPBA的摩尔比大于CPBA;BDC总摩尔量的30%时,会导致UiO-66-BA吸附剂的框架结晶度降低,BET比表面积减小,吸附性能下降,再生性能较差.适量CPBA的添加(摩尔比≤30%)有利于UiO-66-BA保持良好的晶体结构,提高对LTL的吸附性能和吸附剂的再生能力.CPBA的摩尔比为20%时制得的UiO-66-BA-2在pH=8.5、温度为35℃时对LTL的最大吸附量达到42.509 mg·g^(-1),吸附过程更符合Langmuir等温吸附模型和准二级动力学模型,吸附再生结果表明,UiO-66-BA-2具有良好的可重用性,经5次吸附-解吸附后吸附量下降8.28%.由于存在硼酸识别位点,UiO-66-BA-2相比于UiO-66具有更高的吸附容量以及更快的吸附效率,为吸附分离木犀草素提供了一种新的思路.

金属有机骨架(MOFs)衍生物电催化剂的制备与应用

系统介绍金属有机骨架(MOFs)衍生物作为电催化剂在电催化析氢(HER)、电催化析氧(OER)、电催化氧还原(ORR)、电催化二氧化碳还原(CO_(2)RR)和电催化氮还原(NRR)等电催化反应中的研究成果,并分析MOFs衍生物电催化材料所面临的挑战.结果发现,导电性有望通过催化剂与导电粘合剂的混合,以及纳米结构化的各向异性2D MOFs得以解决,但提高MOFs的固有电导率还存在很多问题.当前大多数电催化反应都是在极端的酸性或碱性条件下进行的,而且大多数MOFs衍生物在中性水性电解质中的稳定性有限,因此活性稳定性挑战仍然很重要.

MOFs用于炔烃/烯烃高效分离的近期研究进展

传统的低碳烃气体分离技术能耗高,容易造成一定的环境压力,如低温蒸馏和溶剂萃取.此外,由于工业和技术的发展以及对产品更高的要求(如纯度),传统的分离方法已无法满足需求.金属有机框架(MOFs)作为一类相对新颖的多孔有机-无机杂化材料,因其可控的拓扑结构和多样的化学微环境,在低碳烃分离和纯化领域受到广泛关注.文章概述了MOFs作为分离和纯化低碳烃气体吸附剂具有的特性,重点关注了MOFs材料在炔烃/烯烃气体分离领域的应用进展.

MOFs材料在不对称催化中的应用

目前金属-有机框架(MOFs)材料已经在多个领域得到了发展,其中包括气体吸附、催化等方向.近年来,由于不对称催化的快速发展,手性MOFs材料在立体选择性催化中也得到了研究者们的广泛关注.手性MOFs材料具有很强的手性识别能力,并且由于有机配体的可修饰性,使MOFs材料具有更多的活性催化位点.文章详细介绍了手性MOFs材料的分类、合成思路,及其在不对称催化应用中的最新进展.

硫化氢气体在金属有机骨架中吸附机理的分子模拟研究

研究硫化氢(H_(2)S)气体在金属有机骨架(Metal Organic Frameworks, MOFs)材料中的吸附机理,对应用MOFs材料控制城市地下有限空间内的H_(2)S气体具有重要意义。以不同类型的MOFs材料作为研究对象,基于Materials Studio软件建立了MOFs-H_(2)S吸附体系,应用巨正则蒙特卡洛(Rand Canonical Monte Carlo, GCMC)方法及分子动力学(Molecular Dynamics, MD)理论研究了相互作用能、吸附热、金属位点、官能团等的影响,在分子层面讨论了H_(2)S气体在MOFs中的吸附特性及机理。应用等温吸附试验验证了所使用分子模型及力场的可靠性。结果表明:不同金属位点对于吸附量有较大影响,对H_(2)S气体的吸附作用由强到弱依次为Mg^(2+)、Ni^(2+)、Co^(2+)、Mn^(2+)、Zn^(2+);亲水性官能团的引入利于H_(2)S气体的吸附捕捉;UiO-66-Cu因其团簇为网状结构更利于H_(2)S气体的捕捉与吸附。同时,该研究建立了吸附热方程,提供了MOFs吸附效果评判标准,为MOFs材料应用于城市地下有限空间吸附H_(2)S气体提供了理论依据。

ZIF-8封装AuNCs荧光传感器用于铁离子的检测

介绍一个适合于本科教学使用的综合创新实验,设计合成了一种荧光传感器Au NCs@ZIF-8,并将其用于铁离子(Fe^(3+))的检测。MOFs具有高效吸附、聚集检测物的特点,因此选择将Au NCs封装到ZIF-8中,从而实现目标物的定量检测。封装后,由于Au NCs具有AIE特性,所以Au NCs@ZIF-8的荧光强度明显增强。ZIF-8是一种多孔材料,加入Fe^(3+)后,Fe^(3+)能够进入ZIF-8内部,导致Au NCs的荧光被Fe^(3+)猝灭,成功用于实际水样中Fe^(3+)的检测。尽管该实验步骤复杂并涉及新型纳米材料的合成和表征,但它成功地整合了无机化学、分析化学以及材料化学的相关知识,且操作难度适宜。这为提升学生的动手能力和科技前沿理解提供了一次宝贵的机会。

MOFs作为固体推进剂的燃烧催化剂和含能添加剂的研究进展

新材料是固体推进剂发展的基础。其中,新型含能材料以及燃烧催化剂的研发对于改善固体推进剂的性能具有重要的意义。系统介绍了金属有机框架化合物(MOFs)在多相催化以及高能化方面的进展。指出MOFs在催化烷烃、烯烃、醇等有机物以及CO的氧化反应方面具有较高的活性,具备催化推进剂燃烧反应的能力。MOFs在推进剂燃烧过程中原位生成的金属氧化物也可促进推进剂燃烧。引入高含氮量的配体可获得优异能量性能和安全性能的MOFs,改变含能配体的成分、结构及与金属离子的配位方式可调节其能量性能。认为,设计并合成可用于固体推进剂燃烧的高效MOFs催化剂,探讨其在推进剂燃烧过程中的反应机理,揭示其含能基团的成分、结构及与金属离子的配位方式对含能MOFs能量性能的影响等是今后研究重点。

MOF复合材料催化氧化降解水中污染物进展

综述了近年来金属有机框架材料(MOFs)在水污染处理方面的应用,系统介绍了MOF复合材料结合不同高级氧化技术(光催化氧化法、臭氧氧化法、芬顿和类芬顿法、活化过硫酸盐)催化氧化降解水中污染物的研究进展。总结了MOF复合材料相对于单一MOF材料在水污染处理方面中的优势,提出了MOF复合材料在未来应用仍面临的挑战,并进行展望。

MOF基材料吸附去除食品污染物研究进展

食品安全不仅直接关系到人民群众的生命健康,而且还是社会和谐稳定的重要基础。食品在生产、加工、储存等过程中均可能产生或引入各种类型的污染物,例如重金属、有机农药、染料、真菌毒素和持久性有机污染物等。去除被污染食品中的污染物是保证食品安全和人类健康的重要举措,目前主要的处理手段包括催化降解、化学氧化、萃取、酶降解、微生物降解及吸附去除等方法。其中吸附法较其他方法来说具有工艺简便、能耗低、操作灵活等优势,是处理食品污染物最具前景的方式之一。金属有机框架(metal-organic frameworks,MOFs)是一类新兴的多孔材料,比表面积大、孔隙率高、孔道可修饰等特点使其在吸附去除食品污染物方面具有广阔的研究与应用前景。介绍了近年来MOF基吸附剂吸附去除各类食品污染物的主要研究进展;从静电作用、酸碱/配位作用、π-π堆积作用、氢键作用以及协同作用等方面系统总结了MOF基吸附剂对食品污染物的各类吸附机理;对该类研究所面临的挑战及未来发展趋势进行了总结与展望,旨在为食品安全领域MOF基吸附剂的研究提供实例借鉴与理论指导。