金属有机框架材料用于光催化CO_(2)还原的研究进展

CO_(2)光催化还原转化为有价值的碳氢燃料和化工原料是达成“碳中和”目标的重要途径。金属有机框架材料(MOFs)是一种由有机配位体和金属离子或团簇通过配位键形成的有机-无机杂化材料,具有超高的比表面积、可调的孔结构,并易于功能化修饰,在CO_(2)光催化还原反应中展现出良好的应用前景。总结了基于MOFs的新型功能材料绿色光催化CO_(2)还原的最新研究进展,探讨了改性及功能化MOFs材料及MOFs衍生物的光催化CO_(2)还原反应机理,并从理化特性上分析了材料性能优势的成因。总结了提高光催化还原CO_(2)反应的活性和选择性的策略。在此基础上,对这类新型催化剂面临的主要问题和未来发展进行了总结与展望。

高稳定磺酸化三维共价有机框架材料的设计构筑及其对U(Ⅵ)的吸附

从废水中分离回收U(Ⅵ)对放射性环境治理以及核工业发展具有重要意义。随着共价有机框架材料(COFs)的不断发展,越来越多的COFs材料被用于放射性核素的吸附分离。然而对于三维共价有机框架材料(3D-COFs)而言,由于分子构筑单元及拓扑连接方式有限,使得其在性能和应用上受到诸多限制。本工作运用键转化与后接枝相结合的方法,制备一种基于胺键的磺酸功能化3D-COF材料(COF-320-H_(2)SO_(3))用于水溶液中U(Ⅵ)的吸附去除。通过多种表征手段对其结构和性质进行了表征,并系统研究了COF-320-H_(2)SO_(3)对U(Ⅵ)的吸附行为。研究结果表明:亚胺键向胺键的转化显著提升了COFs材料的化学稳定性,同时具有亲水性和强配位能力的磺酸基的引入使材料对U(Ⅵ)吸附能力明显增强,即使在3 mol/L的HNO3条件下,对U(Ⅵ)的吸附容量仍保持在40 mg/g以上。本工作进一步展示了COFs材料特别是3D-COFs材料在分离放射性金属离子方面所展现的潜在应用价值。

金属有机框架材料在骨组织工程和骨科疾病治疗中的多重应用

背景:金属有机框架材料因其可调节的孔隙率、较大的表面积、生物相容性良好和结构多样等独特的性质在骨组织工程和骨疾病治疗中展现出巨大的应用前景。目的:综述金属有机框架材料在骨修复、关节炎、骨感染和骨肿瘤中的研究进展、运用及优缺点,为后续研究提供参考及策略。方法:检索Web of science、Pub Med和中国知网数据库,英文检索词为“Metal-Organic Frameworks,MOFs,Orthopedics,Bone Repair,Bone Regeneration,Orthopaedic Applications,Bone Tissue Engineering,Bone Infection,Arthritis,Bone Tumor,Osteosarcoma”,中文检索词为“金属有机框架,骨科,骨修复,骨再生,骨科应用,骨组织工程,骨感染,关节炎,骨肿瘤,骨肉瘤”,检索了2015-2023年的相关文献。根据纳入与排除标准对所有文献进行初筛后,最终纳入72篇文章进行综述。结果与结论:(1)在促进骨修复过程中,金属有机框架材料中的金属离子中心能够激活相应信号通路,从而通过促进成骨基因的表达、抑制破骨细胞、促进血管生成、加速骨矿化进程4个方面促进成骨,因此,以钙、锶、钴、铜和镁离子等金属离子作为金属中心的金属有机框架材料在改善骨缺损植入物的性能方面具有很大潜力。(2)以锌/钴金属有机框架为代表的金属有机框架材料能发挥类细胞保护酶的活性,清除活性氧,促进软骨再生,与天然酶相比具有不易失活和更好的稳定性等优势。(3)锌基金属有机框架材料凭借宽带隙、光生载流子的有效分离迁移以及高稳定性的特点,在光催化领域表现出色,广泛用于细菌及肿瘤细胞的杀灭。(4)双金属金属有机框架材料由于额外金属的掺杂,导致结构性能发生优化而具有关键优势,例如锌/镁金属有机框架74具有更高的稳定性进而实现持续抗菌,钽/锆金属有机框架光吸收能力及光催化效率的增加,成为了放疗增敏剂。(5)然而,金属有机框架材料在临床应用中仍面临诸如药物释放的不确定性、生物体内安全性及长期存在可能诱发的免疫反应等挑战.

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。

卟啉基共价有机框架材料的电化学应用探究

共价有机框架材料(COFs)是一类新型的结晶多孔聚合物,具有孔隙高、活性位点丰富、框架结构可调等特点,广泛应用于催化、储能、气体吸附及光电子等领域。其中卟啉基COFs因具有独特的共轭π电子结构,可促进激发态电子的传输,因此在电催化领域有重要的应用。主要介绍了卟啉基COFs的合成策略及其在析氢反应(HER)、析氧反应(OER)、氧还原反应(ORR)和超级电容器的应用,并结合目前研究中存在的问题,提出了卟啉基COFs今后在电催化及储能领域的挑战和发展方向。

高晶体质量共价有机框架材料研究

高晶体质量共价有机框架材料(COFs)是一类备受瞩目的新兴材料,其发展趋势在当今的材料科学和应用技术领域引发了各国的广泛兴趣。在一个面临资源稀缺和环境挑战的时代,COFs的可控性合成、多功能性设计和跨学科应用为未来材料研究提供了新的方向,这些材料通过其多孔结构、电化学性能和光学性质等方面的独有特性,成为能源存储、传感技术、医疗应用、环境保护等领域的潜在解决方案。文章基于高晶体质量共价有机框架材料的定义和性质特点,研究高晶体质量共价有机框架材料的制备方法,探讨了高晶体质量共价有机框架材料的发展趋势,以便更好地理解高晶体质量共价有机框架材料的未来发展方向,促进其在各种领域的应用和研究。

锰基金属有机框架材料{[Mn_(2)(ina)_(4)(H_(2)O)_(2)]·2EtOH}_(n)的电子结构、磁性和吸附性能的理论研究

本文采用密度泛函理论研究了锰基金属有机框架(Mn-MOF)材料{[Mn_(2)(ina)_(4)(H_(2)O)_(2)]·2EtOH}_(n)的电子性质,磁学性质及吸附二氧化碳的性能,结果表明:该Mn-MOF材料是一种反铁磁耦合材料,其高的CO_(2)结合亲和力主要归因于CO_(2)(作为Lewis碱的氧孤对电子)到不饱和金属位点(Lewis酸)的较高电荷转移.本文也对实验中报道的对CO_(2)/N_(2)烟气混合物有高选择性CO_(2)吸附能力进行了验证,理论计算值与实验值有着很好的一致性.

全共轭二维有机框架材料在有机电子器件中的应用

有机电子器件已成为当今社会与工业中不可或缺的组成部分,在显示、通讯、能源和环境等方面都具有广泛的应用。有机电子器件的核心是有机半导体材料,开发具有高电荷传输特性的有机半导体材料是提升有机电子器件性能的关键。作为材料领域的研究前沿,有机多孔晶态材料由于具有确定的化学结构、功能可设计性、大的比表面积、高的孔隙率以及结构可修饰性等特征吸引了广泛的研究,在众多领域都展现出了广阔的应用前景。其中,由于具有高的结构平面性、电子离域性、电荷传输性质以及化学稳定性,全共轭二维有机框架材料作为有机电子学中的载流子传输材料受到广泛关注。当前,人们基于不同结构与功能的全共轭二维有机框架材料,构筑了多种有机电子器件并展现出了巨大的应用潜力。本文首先介绍目前发展的全共轭二维有机框架材料的主要结构,随后重点综述全共轭二维有机框架材料在有机电子器件包括有机场效应晶体管、有机光电探测器、有机光伏电池、化学阻抗传感器及一些新兴电子器件中的最新研究进展。最后阐述实现全共轭二维有机框架材料在有机电子器件的实际应用中所面临的挑战并提出了未来的研究方向。

金属有机框架材料对水体中重金属离子去除性能及机理的研究进展

工业化进程的加快导致全球环境污染日趋严峻,尤其是铬、砷、铅、汞、镉、锌、铜及镍等重金属污染极为显著。重金属在水体中多以离子态存在,难以生物降解,将对生态环境和人类健康构成巨大威胁,因此寻求经济、高效的重金属去除方法刻不容缓。水体中重金属去除的方法主要包括离子交换、混凝沉淀、氧化还原、吸附、膜过滤及电渗析等,其中吸附法具有成本低廉、操作简单和适应性强等诸多优点,被认为是去除水体中重金属的优选方法之一。金属有机框架材料(MOFs),因其比表面积大、孔隙率高、活性位点丰富、可调节性强及热/化学稳定性高等特性,被广泛应用于去除水体中的重金属。重点综述了MOFs及其复合材料对铬、砷、铅、汞、镉、锌、铜及镍重金属离子的去除性能,分析了MOFs初始浓度、重金属离子浓度、接触时间、pH值、温度及干扰离子等因素对重金属去除效果的影响。同时,明确了MOFs去除重金属离子的机理。其主要作用机理为吸附、沉淀及氧化还原,其中吸附分为物理吸附和化学吸附,物理吸附主要包括静电引力、扩散作用和范德华力,化学吸附主要包括开放金属位点/配位作用、酸碱作用及氢键作用,而沉淀或者氧化还原伴随在吸附过程中。此外,对今后MOFs材料在重金属污染防治领域的研究方向及潜在应用进行了展望,以期为MOFs材料在环境污染修复领域的研究和应用提供理论基础。

基于金属有机框架材料的VOCs传感器应用进展

采用传感器对挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds,VOCs)进行实时监测对人体健康和环境保护具有重要意义。金属有机框架材料(MOFs)可调的孔径和开放的金属位点有利于气体的选择性吸附,被证明是提升气体传感性能的理想材料。本文综述了基于MOF材料的VOCs传感器的主要进展,分析了MOF材料在化学电阻和化学电容传感器中发挥的作用及作用机理,并对该领域面临的主要挑战和前景进行了展望。

金属有机框架材料在水产品安全检测中的应用研究进展

由于养殖环境污染严重、养殖过程中使用违禁药品以及水产品携带天然致病菌等问题,水产品安全事件频发,但是因为目标分析物含量低、水产品基质的复杂性、目标分析物与食品成分的相互作用等问题,使得对残留污染物的分离纯化存在很大困难,迫切需要准确度高、精密度高、检测限低的水产品安全检测方法。金属-有机框架材料(metal-organic frameworks,MOFs)是一种多孔晶体材料,具有比表面积大、热稳定性好、表面修饰可调控等特性。MOFs拥有优异的吸附性能并已成功应用于水产品的安全检测。本文概括了MOFs的主要结构,论述了MOFs吸附机理,综述了MOFs在水产品安全检测残留污染物(渔药、重金属、有机污染物)中的应用,旨在为水产品的安全检测提供参考。

金属-有机框架材料在超级电容器中的优势和进展

金属-有机框架(Metal-organic framework,MOF)材料因其出色的比表面积、众多的活性位点、可调的孔径范围和灵活的框架结构,在气体分离、储能和催化等领域发挥着重要的作用.近年来,采用高表面积、永久孔隙以及包含固有的氧化还原活性位点的MOF材料作为超级电容器的电极材料引起了研究者们的关注.本文主要从MOF在超级电容器领域的研究出发,着重介绍了其性能和结构对超级电容器电化学性能的影响,阐述了关于MOF性能调控和结构设计的研究进展.首先,MOF的电导率是影响超级电容器能量密度和功率密度的一大关键性能,而其材料的特殊结构又直接影响了导电率.其次,MOF丰富的活性位点和可调的孔径尺寸等特点都为其导电性能的提升创造了条件.此外,MOF的结构稳定性与超级电容器的循环性能密切相关,稳定结构的构建是增强超级电容器循环性能的重要前提.最后,对MOF未来在超级电容器领域中的研究进行了展望,结构的调控仍然是这一领域的重要研究方向.

离子液体改性的金属有机框架材料催化CO_(2)与环氧化物环加成反应研究进展

离子液体改性的金属有机框架材料(MOFs@IL)作为一种高活性､高稳定性､易分离的新型催化剂在CO_(2)环加成反应研究中逐渐吸引人们的注意。从催化机理､合成策略､性能表现3个方面介绍了MOFs@IL材料在CO_(2)捕获及转化为环状碳酸盐领域最新研究进展,并对未来发展方向进行总结和展望。

共价有机框架材料用于光催化产H_(2)O_(2)研究进展

过氧化氢(H_(2)O_(2))作为一种环境友好型材料近年来备受关注,光催化作为一种潜在的技术用于H_(2)O_(2)生产时,不仅可以方便地将太阳能转化为化学能节约能源,而且在环境治理方面具有重要作用。与传统催化剂相比,共价有机框架(COFs)材料作为一种有机光催化剂,在可见光捕获、多孔结构、光化学稳定性和疏水性等方面具有明显的优势,其多孔结构不仅为催化反应提供了丰富的活性位点,还可以在多次循环后保持原始结构。更重要的是COFs材料设计的灵活性和合成方法的多样性,不仅可以预先设计明确的功能化结构用于光催化反应,还可以修饰功能化基团用于提高性能。介绍了光催化产H_(2)O_(2)的反应机理及检测H_(2)O_(2)的常用方法,综述了COFs材料在光催化产H_(2)O_(2)方面的优势以及提高COFs材料催化性能的方法。

浙江师范大学在Chemical Society Reviews发表题为“用于膜分离的氢键有机框架材料”综述论文

2024年2月9日,浙江师范大学地理与环境科学学院陈成博士在国际化学期刊《Chemical Society Reviews》上发表了题为“Hydrogen-bonded Organic Frameworks for Membrane Separation (用于膜分离的氢键有机框架材料)”的综述论文.浙江师范大学为第一完成单位.地理与环境科学学院陈成博士为论文第一作者,林红军教授、陈邦林教授和申利国教授为论文共同通讯作者.该工作得到了国家自然科学基金青年项目、浙江省杰出青年基金、浙江省自然科学基金探索青年项目,金华市级公益性技术应用研究项目等项目支持.

3种不同席夫碱型共价有机框架材料的制备及亚甲基蓝吸附性能的研究

用溶剂热法制备3种不同席夫碱型共价有机框架(COFs)材料(TpPa-1、TpPa-NO_(2)和Tp MA),采用扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)和X-射线粉末衍射(XRD)对COFs的微观形貌和组成进行表征,并研究其对亚甲基蓝(MB)的吸附性能。开展了吸附动力学、吸附等温线和环境影响因素对吸附性能影响的研究。结果表明:3种COFs对MB的吸附过程均遵循伪二级动力学模型(R^(2)>0.98),这表明COFs对MB的吸附是化学吸附过程。TpPa-NO_(2)对MB具有最佳吸附性能,且其吸附等温线遵循Langmuir模型,其饱和吸附容量高达7799.28 mg·g^(-1)。该吸附过程具有较强的p H值依赖性,碱性条件有利于其吸附过程,而离子强度对其吸附过程无显著影响。研究表明Tp Pa-NO_(2)是一种经济高效的吸附材料。

多金属氧酸盐功能化金属有机框架材料的制备、吸附催化性能及在锂硫电池中的应用

锂硫电池因优异的理论比容量(1675 mAh∙g^(−1))和能量密度(2600 Wh∙kg^(−1)),以及活性物质硫储量丰富、环境友好和低成本等优点,有望成为下一代储能电池。然而,在锂硫电池充放电过程中,可溶性多硫化锂极易溶解于电解液,导致氧化还原反应缓慢,且在溶度差作用下扩散到负极参与副反应,从而不可逆地降低了活性材料的含量,进而使锂硫电池出现放电容量低、容量衰减较快等问题。金属有机框架材料是一类以金属或金属团簇为中心、有机配体为连接单元,在共价键的作用下自组装形成的多孔晶体材料,具有较大的比表面积、高孔隙率和高度有序的孔结构及结构可调性等优点,且可被有效人为设计功能化特性。因此,设计了一种具有孔道缺陷的多金属氧酸盐功能化金属有机框架材料(Fe-NENU-5),用作高性能锂硫电池正极的硫载体。Fe-NENU-5的孔道缺陷,一方面可提供载硫与多硫化锂反应的空间,另一方面可使得缺陷孔道内的多金属氧酸盐能够有效吸附和催化转化多硫化锂,从而极大抑制了多硫化锂的穿梭效应,提高了活性物质的利用率。Fe-NENU-5/S正极所构建的锂硫电池在倍率性能和循环稳定性方面远优于NENU-5/S的锂硫电池,在电流密度1 C下循环500次后的放电比容量仍有617 mAh∙g^(−1)。此外,在高载量4.7 mg·cm^(−2)下,锂硫电池放电容量可达3.1 mAh·cm^(−2)。本研究为满足日益增长的能源储能需求,解决锂硫电池放电容量差及循环寿命低的问题提供了理论依据。

基于联吡啶共价有机框架材料纳米片的插层结构设计及其在锂硫电池中的应用

以单质硫为正极材料的锂硫电池(LSBs),因其高的理论比容量和能量密度,在储能领域中受到广泛地关注。然而,LSBs在充放电过程中会产生可溶性多硫化物(LiPSs),LiPSs在电极之间的穿梭效应会导致电池容量快速衰减,从而阻碍LSBs的实际应用。为了有效地抑制LiPSs在LSBs中的穿梭效应,设计合成了一种基于联吡啶共价有机框架(COFs)材料的纳米片(Tp-Bpy),并将其用作LSBs的多功能插层。Tp-Bpy纳米片得益于联吡啶中均匀分散的氮位点的强吸附和催化活性,以及其纳米结构可提供更多活性位点等特性,能够很好地吸附LiPSs,并对LiPSs进行催化转化,从而抑制LiPSs的穿梭效应。Tp-Bpy纳米片插层在LiPSs氧化还原反应过程中具有更快的转化动力学,以及降低液固转化过程的电化学极化特性。相较于未修饰的传统聚丙烯(PP)隔膜,Tp-Bpy纳米片插层所组装的LSBs倍率性能和循环稳定性得到明显提升。实验结果表明,以Tp-Bpy纳米片插层所组装的LSBs,在0.1 C下的放电初始容量可达1223 mAh∙g^(−1),在1 C下循环500次后的放电比容量仍有452 mAh∙g^(−1),单圈衰减率低至0.093%。Tp-Bpy纳米片插层材料已成为解决LSBs中LiPSs穿梭效应的主要研究方向之一,本研究为开发新的多功能插层提供了理论支撑。

金属有机框架材料的结构设计及其抗菌应用研究进展

金属有机框架材料(MOFs)是由金属节点和有机配体组成的多孔晶体,在气体储存、催化降解、传感检测和医药抗菌等诸多领域受到广泛关注。在医药抗菌领域,MOFs不仅可作为良好的药物缓释载体,还兼具生物可降解性、抑制细菌活性等特性,因而成为新一代抗菌材料的研究热点。综述了MOFs的结构设计和特点,从MOFs作为抗菌剂和MOFs作为载体负载抗菌剂进行高效抗菌两个方面详细介绍了其在抗菌领域的应用。

多孔框架材料固定化酶研究进展

金属有机框架材料(MOFs)和共价有机框架材料(COFs)具有多孔性、比表面积大、结构可修饰、孔道可调节、框架可设计、易功能化等优点,是固定化酶的优良载体。本文简要介绍了MOFs和COFs的结构、性能以及功能化方法,主要综述了这两种材料在固定化酶领域的最新研究进展,并对二者进行了比较。MOFs和COFs均具有一维、二维、三维结构,其中三维和少量二维结构呈现多孔性。通过预先修饰法、原位修饰法或后合成修饰法可在MOFs表面引入官能团,固定化酶的方法有包埋法、孔道扩散法和表面固定法,固定化酶的种类丰富;而COFs主要通过后合成修饰法引入官能团,以孔道扩散法或表面固定法固定化酶。最后指出,MOFs的水稳定性和酸碱稳定性较差,COFs的制备条件恶劣,MOFs和COFs固定化酶的重复利用性均较差,今后的发展方向是探索更为有效的修饰策略以提高MOFs的稳定性,开发更为安全的COFs制备方法,以及提高固定化酶的重复利用性。