金属有机框架材料(MOFs)在催化中的应用研究进展

金属有机框架材料(MOFs),因其独特的晶态多孔性、灵活可剪裁特性以及超高的比表面积,在催化、气体分离存储、传感以及质子传导等诸多领域获得的广泛的应用。特别是在催化领域,MOFs凭借其独特的结构,有效整合了均相和多相催化剂各自的优势,填补了传统微孔和介孔材料之间孔尺寸的空白。在近20年的发展历程中,通过不断深入发掘MOFs的本征特性与催化性能的关联,MOF基催化材料取得了令人瞩目的进展,至今仍然是化学与材料科学研究的前沿与热点。

近日,中国科学技术大学的江海龙教授和日本产业技术综合研究所的徐强教授等人在Advanced Materials上受邀发表综述性论文(Metal–Organic Frameworks as Platforms for Catalytic Applications),系统总结了MOFs在催化中的应用研究进展。综述首先从催化活性位点的构筑策略这个角度,系统的介绍了原型MOFs设计(催化位点:配位不饱和金属位点、功能化有机配体),MOFs功能化修饰(催化位点源于:金属节点修饰、配体修饰),MOFs限域客体活性位(金属纳米颗粒、金属配合物、酶、多酸等)以及MOFs衍生(碳材料、金属化合物及其复合材料)等四种有效功能化策略。这些不同的策略极大地丰富了MOF基催化材料的内涵,为催化各种不同类型的反应提供了广阔的空间。

围绕上述四种策略,文章详细总结了MOF材料在有机多相催化(氧化反应、还原反应等)、光催化(制氢、水氧化、CO2还原反应和光催化有机反应)以及电催化(氧还原、水分解和CO2还原反应)中的设计、构筑和应用的研究进展。并且在对前期的研究工作总结的基础上,进一步针对MOF基催化材料未来的发展,在以下方面提出了独特的见解: 1.孔尺寸可调的高稳定性MOFs的设计与合成;2. 活性位周围微环境的调控和利用;3. 催化过程中主客体协同作用(电子、能量的交互等)的深入挖掘和利用;4. MOF光催化体系中氧化反应的进一步研究和拓展;5. MOFs前驱物到衍生材料转变的中间过程的机理性研究,以及在此基础上的对衍生材料结构和成分的可控性设计;6. 面向实际生产应用的大规模低成本功能性MOFs的合成等等。

文章立足于对MOF基催化材料既往发展的全面把握,进一步对其未来发展提出了前瞻性的观点,将对今后MOF基催化材料的发展具有重要的意义和有益的借鉴。

相关工作近期发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201703663)上。

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