铁基金属有机骨架材料的最新进展和挑战

金属有机骨架(MOFs)是一类由有机配体和无机金属离子(或簇)所构成的高度有序的多孔材料。近年来这类材料获得了科学家的广泛关注。通过选择合适的有机配体和金属实体可以设计和合成具有理想的框架结构和功能性的金属有机骨架材料。更重要的是,其具有高比表面积、可调控的孔尺寸、易功能化和丰富的活性位点等特点,成为非常有应用前景的功能性材料。在众多的MOF材料中,铁基金属有机骨架(Fe-MOFs)因其良好的性质和化学多样性而被大量研究。Fe-MOF材料的一个典型特征是其高密度的不饱和铁金属中心可以与有机配体中的氧原子形成较强的铁-氧键。因此,大多数的Fe-MOF材料在有机溶剂和水相中显示出较好的稳定性。与一些传统的多孔材料如沸石相比,Fe-MOF材料在各种应用中具有更好的潜力。例如,柔性的Fe-MOF材料可以有效地控制其孔尺寸和内部孔环境,从而加快客体分子的进入。同时,铁元素在自然界中的丰富含量和低毒性也促进了Fe-MOF材料的发展。

近日,湖南大学环境学院曾光明教授和袁兴中教授团队在Small杂志上发表了综述性文章“State-of-the-Art Advances and Challenges of Iron-Based Metal Organic Frameworks from Attractive Features, Synthesis to Multifunctional Applications”。在该综述中,作者首先对Fe-MOF材料的多孔性和功能性设计进行了详细的描述,然后总结了Fe-MOF材料的制备方法并分析了控制其晶体生长和材料性能的影响因素。与此同时,概述了Fe-MOF材料在锂离子电池、传感器、气体存储、气液相分离和催化等多个方面的发展现状和应用前景,并指出了Fe-MOF材料在各个领域的优势和不足。

针对Fe-MOF材料在设计和合成上的进展,作者提出以下几点展望:(1)在原子水平上深入探索Fe-MOF材料的形成机理;(2)进一步的研究Fe-MOF材料的拓扑学设计;(3)除了有机配体修饰,通过后合成修饰法对金属中心进行调制来设计功能性的Fe-MOF材料;(4)发展绿色、简单且低成本的合成技术用以大规模制备Fe-MOF材料。同时,作者基于Fe-MOF材料在材料应用方面的发展提出了独特的见解和展望:(1)将Fe-MOF材料与一些合适的电极材料相结合,从而改善其较差的电导率和低能量密度;(2)将基于Fe-MOF材料的传感器嵌入一些便携设备以满足工程上的应用;(3)将基于Fe-MOF材料的传感器与一些信号放大技术相结合,从而提高其检测灵敏度;(4)设计具有高密度的不饱和铁金属中心的Fe-MOF材料(5)调节内部孔环境、嵌入一些功能性的基团进入Fe-MOF框架以优化其吸附和催化性能;(6)通过引入一些疏水性基团或者在材料表面涂敷疏水层,设计能够在不同溶剂中保持稳定的Fe-MOF材料。

相关工作发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201803088)上。