金属有机骨架-分子印迹复合材料的制备、表征及其对吗啉的吸附性能

以金属有机骨架为载体,通过表面化学修饰后再接枝分子印迹聚合物制备了一种对吗啉具备高选择性能的新型复合材料,用红外光谱、扫描电镜分别探测了所获材料的表面化学基团分布及形貌特征。研究了金属有机骨架-分子印迹(MOFs-MIPs)复合材料对吗啉分子的吸附动力学及选择性,测试了材料表面的结合位点分布特征,并考察了复合材料对水果粗提物溶液中吗啉的固相萃取效能。印迹材料可在150 min内达到吸附平衡,其对吗啉的静态吸附量为183.3 mg/g。Scatchard分析表明分子印迹聚合物表面主要存在两类吸附位点,高亲和位点的平衡离解常数K和最大表观吸附量Qmax分别为0.5679 g/L和326.5 mg/g,而低亲和位点的K和Qmax值分别为2.493 g/L和562.9 mg/g。印迹材料对吗啉的选择因子相对于甲基吗啉、乙基吗啉和甲基吗啉氧化物分别为2.47、2.48和2.24。MOFs-MIPs复合材料用于固相萃取时,在优化条件下单步洗脱中吗啉回收率达82.44%,显示了较高的富集效能,且这种材料可多次重复使用。

贵金属/金属-有机骨架复合材料的合成及在光催化中的应用

光催化技术直接利用太阳能作为光源驱动反应,是一种理想的清洁能源生产技术和环境污染治理技术。利用贵金属和金属-有机骨架进行组装得到的复合材料作为光催化剂,光生电子能够快速地在复合材料内部的迁移,可以实现高效的光生电荷分离效率,提高其光催化性能。本文主要介绍贵金属/金属有机-骨架复合材料的合成及在光催化中的应用。

柔性金属-有机骨架材料中甲醇吸附和扩散的分子模拟

采用分子力学和分子动力学相结合的方法,对甲醇在Ni2(4,4'-bipyridine)3(NO3)4中的吸附能和扩散势垒进行了研究.结果表明,每个Ni2(4,4'-bipyridine)3(NO3)4结构单元的饱和吸附量是4个甲醇分子,稳定吸附分子个数是2个,吸附多于2个甲醇分子时材料结构变形明显,是甲醇实验吸附等温线出现梯级现象的原因,计算的扩散势垒是35.94kJ?mol-1,与实验值符合较好.得出,结构变形对吸附分子在柔性金属-有机骨架中的吸附和扩散性质有重要影响.

面向生物甲烷分离的不同金属配位金属-有机骨架材料的分子设计

采用巨正则Monte Carlo法(GCMC),对CH4/CO2混合气体体系基于金属-有机骨架材料(MOFs)的吸附分离进行了模拟研究。吸附分离材料涉及3个系列(M-MOF-74、M-MIL-53和[M(atz)(bdc)0.5])(M=Mg,Co,Ni,Zn,Al,Cr)不同金属配位的8种MOF材料。研究表明,Mg-MOF-74的CO2吸附性能在高压下优于其他材料;在低压时,拥有大量氨基官能团的[Zn(atz)(bdc)0.5]和[Co(atz)(bdc)0.5]材料有更高效的CO2分离性能。通过径向分布函数和CO2吸附构型快照重叠图进一步分析发现,各个系列材料不同金属配位对CO2吸附构型的影响造成了材料吸附分离性能有较大的不同。研究结果能够为实验上设计和开发新型高效CO2和CH4吸附分离MOFs材料提供启发。

生物相容性金属-有机骨架材料负载药物的分子模拟

采用巨正则蒙特卡罗方法,对新型卤代羟基烷麻醉药——异氟醚在金属-有机骨架材料(MOFs)中的负载性能进行了模拟研究.选用含Fe,Mg和Ti等金属中心的5种生物相容性良好的MOFs进行研究,结果表明,在常压下,孔体积较大的材料对异氟醚的负载量较大,且Fe-MIL-101负载量最高,可负载相当于自身质量2倍的药物.通过径向分布函数及构型分析发现,药物负载的主要作用力有氢键和金属-药物相互作用.等量吸附能分析显示,Fe-MIL-53和Mg-MOF-74吸附能较强,有利于延长麻醉药持续释放的时间,适用于长时间麻醉手术或术后止痛;而Ti-KUMOF-1,Fe-MIL-100和Fe-MIL-101则在初期释放大量药物,后期释放量大幅度下降,适用于急诊治疗.

杂质对金属-有机骨架材料分离烟道气性能影响的分子模拟研究

采用分子模拟方法系统研究了杂质(水、O2和SO2)对5种金属-有机骨架材料(ZIF-8,NOTT-300,UiO-66(Zr),UiO-66-NH2和UiO-66-2COOH)的烟道气分离性能的影响,并探讨了其微观机理.结果表明,O2和SO2对这些材料的CO2/N2分离选择性影响不大;水对ZIF-8和UiO-66(Zr)的分离选择性影响不大,而对NOTT-300和UiO-66-NH2的分离选择性具有提升作用;UiO-66-2COOH对CO2的选择性有所降低.在干燥的环境下,UiO-66-2COOH的选择性最高,而在湿润的环境下,UiO-66-NH2的选择性最高.为捕获CO2的新型材料设计提供理论指导.

有机-无机复合材料在水中重金属吸附领域的研究进展

水中重金属的处理方法多样如物理化学法、化学沉淀法和生物净化法等,其中吸附法因其材料来源广、操作简单、成本低等优点得到了广泛应用,而吸附材料是吸附法处理水中重金属污染的核心要素。详细表述了重金属吸附材料的分类和研究进展,尤其是以某种方式结合而成的新型有机-无机复合材料;阐述了有机-无机复合材料在重金属吸附方面的应用前景,展望了介孔分子筛材料在吸附水中重金属技术的发展趋势。

金属-有机骨架材料CO_2捕获性能的大规模计算筛选

全球性温室效应形势的日趋严重,迫切需要研究和开发可用于CO_2捕集的高性能材料。对于含有双铜船桨型片段(Cu_2(COO)_4)的MOF材料,因其结构中含有配位不饱和的Cu金属位点,在低压区域的CO_2捕获方面展现出优异的性能。目前,大规模计算筛选工作主要是基于传统的分子力场,无法对此类Cu-MOFs中主客体分子间的相互作用进行准确描述。基于量化计算获得的精确分子力场,利用Monte Carlo分子模拟方法考察了常温常压条件下763个基于Cu-OMS的MOF材料对CO_2存储和CO_2/N_2的分离行为。不仅筛选出潜在的高性能材料,而且揭示出了材料的结构与其性能之间的关系和具有优良性能的材料结构特征,可为面向特定应用的新材料设计和合成提供理论参考。

UiO-66@GO复合材料制备及其光催化性能

为探究UiO-66的制备及应用,以四氯化锆为金属中心,采用水热法制备出UiO-66,并针对UiO-66的分散性较差、光生电子空穴对易复合等问题,以氧化石墨烯(GO)作为碳基材料对UiO-66进行复合修饰,通过后合成法成功制备出UiO-66@GO复合材料。通过FTIR、XRD、SEM、XPS、BET等对UiO-66@GO复合材料的结构进行表征,并以亚甲基蓝为底物,研究了pH值和质量比等因素对UiO-66@GO复合材料光催化性能的影响。结果表明:当pH为3、GO与UiO-66的质量比为1∶5时,制备出的UiO-66@GO复合材料对MB的光催化降解效率达到了96.4%,比单一UiO-66材料的光催化降解效率提高了1.1倍。以上结果可为UiO-66在处理印染废水方面的应用提供一定的理论参考。

[Emim]NTF_(2)/MIL-53(Al)复合材料制备及其硫酸羟基氯喹吸附性能探索型实验设计

该文设计了[Emim]NTF_(2)/MIL-53(Al)复合材料制备及其硫酸羟基氯喹(HCQ)吸附性能探索型实验。采用溶剂热法和浸渍法制备了[Emim]NTF_(2)/MIL-53(Al)复合材料,通过静态吸附法考察了pH值、离子浓度、吸附时间和温度等因素对复合材料HCQ吸附性能的影响,并探讨了吸附机理。实验结果表明,[Emim]NTF_(2)的负载量为20%时,复合材料在20 min的吸附容量可达230.95 mg/g。高吸附容量可归因于材料骨架原子和离子液体与HCQ分子之间的氢键和π-π堆积相互作用。该探索型实验涉及配位化学、物理化学和仪器分析等专业知识,有助于引导学生将专业理论知识与科研前沿相链接,有利于激发学生科研兴趣,扩展学生视野。

金属-有机骨架材料改性研究进展

金属-有机骨架(MOF)材料是由金属离子或金属簇中心和有机配体组成的多孔材料,但是MOF存在化学稳定性较差、机械强度低、导电性能弱等缺点。用功能材料对MOF进行改性制备的复合材料,不仅具备MOF自身的优点,还能改善其他方面的性能,目前已广泛应用于气体吸附与分离、催化反应、药物传输、传感检测等领域。综述了近年来不同功能材料对MOF的改性研究进展,并对MOF复合材料的未来发展前景进行了展望。

基于仿生复合材料的纸基双模信号输出检测平台测定二苯甲酮-3

二苯甲酮-3(BP-3)是一种广泛使用的有机紫外线滤光剂,会对环境造成污染且对生物体具有潜在毒性,因此构建能够快速、便携式检测BP-3的方法十分必要。该文将仿生复合材料与纸芯片集成,研制了一种纸基微流控分析装置(μPAD)。仿生复合材料由纳米酶和分子印迹聚合物(MIP)组成,两者分别作为信号产生的催化剂和μPAD的识别单元。首先通过简单、温和的方式合成具有过氧化物酶活性的双金属有机凝胶(Fe/Ru-MOG)纳米酶,并通过本体聚合法将其掺杂到MIP中。Fe/Ru-MOG@MIP-μPAD可通过化学发光(CL)和比色法双信号输出对BP-3进行测定。BP-3通过与MIP特异性结合可减弱Fe/Ru-MOG对H2O2的催化能力,导致CL信号强度降低和比色信号变化。通过手机原位拍摄检测区域的照片记录两种信号,然后转换为灰度值进行量化。双信号分别在1×10^(-9)~1×10^(-7) mol/L(CL)和3×10^(-9)~0.9×10^(-7) mol/L(比色)浓度范围内线性良好,检出限分别为1.63×10^(-10) mol/L(CL)和1.64×10^(-10) mol/L(比色)。且μPAD在土壤、河水和自来水等实际样品的分析中具有良好的选择性和可靠性。作为一种便携、经济的检测工具,μPAD将在快速、现场测定BP-3方面发挥重要作用。

金属-有机骨架材料中吸附气体的扩散速率

采用分子动力学方法,以甲烷为探针分子研究了不同压力条件下气体在具有不同孔道结构的金属-有机骨架材料(MOFs)中的扩散速率.通过计算气体在八种材料中的自扩散系数,并结合气体分子在材料中的质心分布图等,讨论了气体扩散速率与孔道结构之间的关系.研究结果表明:对于同时含有孔笼(pocket)和三维正交孔道(channel)结构的MOF材料(P-C材料),低压时甲烷气体吸附在孔笼结构中,随着压力的升高,气体分子开始进入正交孔道,同时其自扩散系数增加;而对于只含有三维立方孔道结构的IRMOF(isoreticular MOF)系列材料,在中低压范围内,气体分子在其中的自扩散系数随压力变化较小.当压力进一步升高时,气体分子在材料孔道中的吸附逐渐接近饱和,其自扩散系数均降低.因此,在不同MOF材料中气体分子扩散速率的差异主要取决于孔道结构的不同.对P-C材料,中低压下通过控制压力可以控制气体在其中的扩散速率,从而为MOF材料在气体存储、分离等方面的实际应用提供参考信息.

离子热合成金属-有机骨架材料最新研究进展

离子热合成是近年来新兴的合成具有新颖拓扑结构的金属-有机骨架材料的方法。本文综述了离子热合成金属-有机骨架材料的研究进展,介绍了离子热合成金属-有机骨架的具体合成方法,重点探讨了离子液体的阴阳离子对骨架结构的影响及离子液体在手性金属-有机骨架材料合成方面的研究情况。另外,还将离子热合成方法与传统水热/溶剂热合成方法进行了详细地比较,并针对几种代表性的金属-有机骨架材料的合成,探讨了不同合成方法得到的材料在结构上的差异。离子液体的种类和结构对金属-有机骨架材料结构方面的影响机理还有待于进一步的探讨。

新型类沸石金属-有机骨架材料用于天然气中CO_2的分离

研究了在usf型类沸石金属-有机骨架材料(usf-ZMOF)中不同金属离子(Li+,Na+,K+,Rb+,Cs+,Mg2+,Ca2+,Sr2+,Al3+)对天然气分离(以CO2/CH4,CO2/H2,CO2/N2为研究对象)的不同影响.结果表明,此类材料对于3种体系的分离选择性均高于现有材料.其中性能最好的是Al-usf-ZMOF,其对CO2/CH4,CO2/N2和CO2/H2的分离选择性分别为290,1700和16800.同时,对于经不同的离子交换后的usf-ZMOF,吸附选择性随着离子电荷值的增加而增大;对于同一主族的离子,选择性随着原子序数的增加而减小.而上述现象的产生是由阳离子和CO2间的强静电作用所致.

分子印迹掺杂金属有机框架固相萃取-高效液相色谱-串联质谱法测定大米中10种磺酰脲类除草剂

为研发能同时检测多种磺酰脲类农药的高效方法,本研究以甲磺隆为模板分子,4-乙烯吡啶(4-VP)为功能单体,乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)为交联剂,利用沉淀聚合法合成分子印迹聚合物(MIP)。将其与制备的金属有机框架(MOFs)材料掺杂混合作为复合填料制成MOFs-MIP固相萃取柱,结合高效液相色谱-串联质谱(HPLC-MS/MS),建立了大米样品中单嘧磺隆、甲磺隆、噻吩磺隆、氯磺隆、氟磺隆、氟胺磺隆、氯嘧磺隆、烟嘧磺隆、苄嘧磺隆、吡嘧磺隆共10种磺酰脲类除草剂残留的高通量痕量分析方法。采用扫描电镜分别对MIP和MOFs材料的表面形态进行表征,优化活化液、上样液、淋洗液和洗脱液等固相萃取条件。结果表明,5 mL乙腈、5 mL水为活化液,80%乙腈-水为上样液,3 mL水淋洗,10 mL乙酸-甲醇(1∶9,V/V)与5 mL丙酮先后洗脱,40 mg MIP与10 mg MOFs材料混合作为SPE柱填料配比,此时检出限(LOD)在0.07~0.5μg/kg之间,样品浓度在1~100μg/kg范围内线性关系良好(R^2>0.991),回收率在79.75%~99.05%之间,相对标准偏差在6.7%~13.8%之间。本方法具有检测灵敏度高、稳定性强等优点,可实现对大米样品中磺酰脲类除草剂残留的类特异性快速检测。

金属-有机骨架(MOFs)用于锂硫电池硫正极材料改性的研究进展

随着便携式电子设备和电动汽车的发展,目前广泛使用的锂离子电池已不能满足市场的需求,锂硫电池作为一种非常有前途的高能化学电源,因其高理论比容量(1675 mAh·g^(-1))和高理论能量密度(2600 Wh·kg^(-1))引起了研究者的广泛关注。然而,在锂硫电池的发展过程中,一些突出的问题制约了其发展,包括硫本征导电性差、充放电前后体积变化大、较差的循环稳定性以及生成的多硫化物易溶解等。相关研究表明,将硫与金属-有机骨架(MOFs)材料复合,构筑成具有特殊微观结构的复合正极材料,可显著改善其导电性、循环稳定性和多硫化物的溶解等问题。本文从锂硫电池的工作原理出发,总结了MOFs作为硫载体的优势特点,综述了近几年MOFs材料在锂硫电池正极方面的研究进展,最后对锂硫电池MOFs基正极材料未来的研究思路与发展趋势进行了分析和展望。

疏水性金属-有机骨架材料的研究进展

金属-有机骨架(metal-organic frameworks, MOFs)材料是一种由金属离子和有机配体通过自组装形成的新型多孔材料,具有优异的物理及化学性能,因而在气体吸附储存、气体分离以及工业催化等方面表现出良好的应用潜力。但在应用的过程中,无处不在的水分子会影响MOFs骨架的稳定性和吸附性能,极大地制约了其实际应用。本文介绍了近年来疏水性MOFs材料的研究进展,重点论述了金属离子和有机配体对调控MOFs亲疏水性的影响以及通过配体后修饰和疏水性物质复合等提高疏水性的方法,分析了MOFs材料的亲疏水性机理,同时提出了实验结合计算机模拟技术筛选疏水性MOFs的手段。最后,指出目前疏水性MOFs材料合成存在的问题及解决方法,期望为今后拓宽MOFs材料在高湿环境中的应用提供一些有用的参考。

二氧化碳在咪唑金属-有机骨架化合物中吸附行为的分子模拟研究

采用巨正则蒙特卡罗方法研究了CO2在不同拓扑结构ZIF-2、-3、-4、-10、-64中的吸附行为,计算得到298K温度下,压力范围从0.01到10 000kPa的吸附等温线,结果表明:CO2吸附量在低压下随着压力的增加几乎呈线性急剧增长,在2 000kPa左右CO2在ZIFs中吸附达到平衡,ZIF-10对CO2吸附量明显高于其它ZIFs,其饱和吸附压力为9 000kPa。对ZIF孔径与吸附量关系的研究表明低压时的CO2在ZIF中的吸附量与孔径无明显关系,高压下CO2的吸附量由孔径大小所决定。并探讨了温度对吸附行为的影响,可知ZIF-10中CO2吸附量受温度影响最大,ZIF-64最小。

Fe基MOFs及其复合材料自组装与性能研究进展

金属-有机骨架(metal-organic frameworks, MOFs)是一种通过有机配体连接的新兴多孔材料,在气体储存、药物运输、催化和化学传感等方面存在广泛的应用前景。概述了基于密度泛函理论(density functional theory, DFT)与机器学习(machine learning, ML)相结合预测与设计Fe基MOFs的最新研究进展,详细描述了当前主要的Fe基MOFs材料的合成方法,指出了该类材料的晶体结构及配位环境特点。通过将纳米粉体与Fe基MOFs材料相结合的方式对Fe基复合材料的合成方法进行概括。总结了Fe-MOFs及其复合材料在电催化固氮、吸附、导电、催化等性能的应用,并指出了当前Fe-MOFs及其复合材料在发展中存在的不足。最后,对Fe基MOFs及其复合材料进行总结与展望。