Small Structures:为何要将金属有机框架小型化?

金属有机框架(MOF)由金属离子和有机配体连接而成,具有高孔隙率、高化学、热稳定性以及成分、形状、孔径和功能可调的特点。MOF在导电性、磁性和光学特性上都表现出与众不同的行为,且在作为主体使用时,可以实现灵活的结构转换,选择性地吸附和释放腔内的客体分子。因此,MOF在多种场景中具有巨大的应用潜力,包括污染物及有害气体的去除与储存、催化、传、生物医学应用等。

然而,现阶段MOF主要以微米级结晶粉末的形式制备,该尺寸很大程度上限制了MOF在不同领域的成果转化。一方面,许多应用场景要求MOF具有中等或宏观尺度,例如块状、微球或膜,或被集成在其他材料或设备上进行使用。另一方面,生物医学及催化等方面则要求MOF达到亚微米或纳米尺度,才能将其分散为胶体,进行溶液加工或与其他材料进行自组装。

针对这一主题,西班牙巴塞罗那科学技术研究院Daniel Maspoch科研团队近日发表了观点文章,介绍了MOF材料小型化的进展,比较了不同尺寸、形状MOF的性能差异,并阐述了小型化MOF在多种应用场景下的独特优势。

在本文中,作者首先介绍了小型化MOF与大尺度对应物的差异,主要由外表面能占比、金属离子外露程度及悬空键数量的差别等引起,并使得材料的缺陷数量、传质能力和晶界等性质发生变化。接下来,作者分析了小型化MOF的不同形状对材料性能的影响,例如2D MOF纳米片、2D MOF纳米膜、纳米线、纳米管和空心球等,它们在催化性能、气体分离性能和电学性能等方面与较大尺寸的对应物具有截然不同的表现。之后,作者阐述了小尺寸MOF在可加工性上的优势,包括更好的胶体分散性、通过自组装进行功能化和集成化的能力等。在文末,作者总结了MOF小型化的进展并展望了未来:控制小型化MOF的表面积和表面组成对调整其材料特性至关重要,需要集中精力突破在溶液中或表面上合成单分散MOF的方法,并藉由先进的分子尺度表征技术了解小型化MOF的行为,最终实现其应用转化。

Metal−Organic Frameworks: Why Make Them Small?

Jiemin Wang, Inhar Imaz*, Daniel Maspoch*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100126

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100126