多功能金属−有机框架材料的发展现状及展望

金属−有机框架材料(MOFs)的快速发展和兴起是过去二十年化学和材料科学领域最重要的事件之一。早在上世纪90年代初,科学家已经开始探索性地研究这类材料的合成﹑晶体结构和拓扑形式。然而直到90年代末,MOF材料稳定的多孔性才被Yaghi和Kitagawa等科学团队发现和建立,从而极大地促进这类材料的快速发展和应用。MOF材料是由金属离子或簇和有机配体在温和的反应条件下通过配位键自组装形成的各种具有特定性质的框架材料,合成简洁,结构测定方便(单晶衍射)。更重要的是这类材料具有高比表面积,规则有序和可调的孔径大小和形状,以及易功能化等特点,成为非常有应用前景的多功能材料。其功能性活性位点可以来自于金属离子/簇中心,也可以来自于有机配体及孔道内的客体分子,同时两个或多个具有不同化学/物理性能的有机/无机单元可以同时引入MOF材料中形成具有多个功能的先进材料。这些独特的优势使得MOF材料近年来被广泛地作为一种万能的﹑可调控的平台发展各种类型的多功能材料。在过去十几年间,大量来自不同领域的科学家致力于发展和探索MOF材料在不同领域的应用,取得了令人瞩目的进展。

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近日,德州大学圣安东尼奥分校化学系陈邦林教授和浙江大学材料科学与工程学院钱国栋教授等合作在Advanced Materials上发表综述性文章(Emerging Multifunctional Metal-Organic Framework Materials, 2016),系统概述了新兴MOF材料在气体存储分离﹑光学﹑电学﹑磁性﹑化学检测﹑异相催化﹑光催化和生物医学等多个重要领域的发展现状和应用前景,并将MOF材料和其他类型的材料进行了详细对比,从而更全面的了解MOF材料在各个领域的发展现状﹑优势和不足。例如,对于甲烷存储,目前最好的MOF材料无论在体积存储量还是质量存储量都要优于传统的沸石和活性炭材料以及其他新兴的多孔材料,杰出的存储性能也表明了这类材料应用于汽车上的巨大前景。随着不同领域的科学家逐渐加入到MOF的研究领域,越来越多新颖的性能被开发,一些多功能的MOF材料也逐渐出现。基于这一现象,该文重点列举了一些非常著名的多功能MOF材料以及它们多样的性能。此外,大量化学公司的加入使MOF材料在大规模工业生产领域取得了突破性进展,日生产量可高达20吨每立方米反应塔。工业生产的进步以及制备MOF膜和设备工艺的快速发展大大促进了MOF材料的工业化和商业化进程。可以预见,在不远的将来一些优良的MOF材料将会最终应用到人类的日常生活和工业生产中。该论文的第一作者是德州大学圣安东尼奥分校的李斌博士。

相关工作发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201601133)上。

 

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