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【化學前沿科普】MOF——新型多孔材料的興起

來源:化學加      2016-09-07
導讀:MOF(金屬-有機骨架),是一類20世紀末興起的新型多孔材料。顧名思義,MOF是由金屬和有機配體組成的。金屬部分,通常稱為金屬節(jié)點,通常是由金屬和氧原子、羥基、羧酸等組成。有機配體部分,大多數(shù)時候是多羧酸。

如圖一所示的MOF-5是由Yaghi課題組報道的最經(jīng)典的名為MOF-5的材料,其由簡稱BDC的對苯二甲羧酸和簡稱Zn4O的金屬節(jié)點組成。從微觀上看,8個節(jié)點和12個配體會圍成一個小立方體,而無數(shù)的配體和節(jié)點不斷向外延伸,就能像建造大廈一樣建造出一個巨大的框架結(jié)構(gòu)。

圖片1.png

MOF-5的組裝和結(jié)構(gòu)示意圖

MOF擁有晶體結(jié)構(gòu)。晶體的意思就是物質(zhì)內(nèi)部的原子嚴格按照特定的規(guī)律整齊排列。MOF中的原子和他們圍成的孔道就像一座大廈里的磚瓦和房間,排列得整整齊齊。確定的結(jié)構(gòu)便于科學家們準確的探討結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系,某些物理化學性質(zhì)也必須在原子整齊排列的情況下才會存在。

MOF的骨架可剛可柔。所謂剛性的骨架,是指在外界條件,如加熱、浸水、酸堿環(huán)境等惡劣條件下,骨架保持結(jié)構(gòu)完整而不坍塌、不變形。而柔性的骨架呢?就如同一座智能機器一樣,會隨著外界特定條件的改變,改變自身的形狀。

MOF的內(nèi)表面積極大。內(nèi)表面積是衡量多孔材料內(nèi)部空間的重要的性能參數(shù)。MOF擁有遠大于傳統(tǒng)多孔材料(活性炭、沸石等)的內(nèi)表面積,最高記錄為每克MOF有7000平方米的內(nèi)表面積,約等于一個標準足球場的面積。

MOF有著多樣和可控的結(jié)構(gòu)。MOF的兩個組成部分,有機配體和金屬節(jié)點,都可以有很多種設(shè)計和選擇。特別是有機配體部分,依托現(xiàn)在發(fā)展成熟的有機合成技術(shù),幾乎可以得到任何你想要的有機配體,來組裝成不同的MOF。有機合成有多強大?現(xiàn)在這五光十色的世界里的各種塑料、染料、香料、藥物、織物等等非金屬的材料,絕大部分都是有機合成給人們帶來的產(chǎn)品。有這樣強大的一門合成化學為依托,MOF也就擁有了千變?nèi)f化的能力。

MOF的合成過程,通常稱為“自組裝”。所謂自組裝,可以理解為,化學家們把組裝MOF的原料,也就是有機配體和金屬鹽,按照一定的比例在溶液里混合、加熱,這些零件就會“自動”地按照MOF大廈的設(shè)計圖組裝在一起,而不需要化學家一磚一瓦的去建造。所以MOF是“自組裝材料”的一種。

MOF的應用研究,主要圍繞著其“多孔材料”的身份進行。研究得最多的幾個領(lǐng)域包括,氣體的吸附與分離、化學感應、異相催化和藥物輸送。MOF的內(nèi)部孔道,就仿佛一個個小儲氣罐,能夠大量的儲存氣體分子,針對氫氣、甲烷、二氧化碳的儲存和分離,化學家們設(shè)計和建造了不同的MOF材料,獲得了很好的效果。有些MOF的孔道也可以扮演安檢X光機的角色,當特定的分子進入之后,MOF的性質(zhì)特別是熒光性質(zhì)會發(fā)生改變,實現(xiàn)對特定分子比如爆炸物分子的探測。當用特定的催化劑分子或者金屬組裝為MOF的時候,就得到了具有催化功能的MOF。這樣的MOF就如同一座小小的加工廠,以很高的效率和速度把原材料裝載到孔道里進行加工得到產(chǎn)物。MOF也可以扮演“緩釋膠囊”的角色,將藥物分子裝載到孔道里,然后在人體內(nèi)緩慢的釋放出來。

總結(jié)

綜上所述,MOF兼具無機材料和有機材料的特點,其結(jié)構(gòu)、功能和性能都可以在成熟的合成化學的支持下精確設(shè)計和調(diào)控。因此MOF材料可以應用到各種領(lǐng)域里去。

目前還在實驗室的“溫室”里茁壯成長的MOF研究,未來必然要進入到工業(yè)生產(chǎn)的領(lǐng)域中接受考驗。MOF材料尚欠缺的物理和化學穩(wěn)定性必須要得到解決。具有無機化學、有機化學、計算化學、生物化學、材料化學和化學工程背景的研究人員需要緊密合作,才能將MOF發(fā)展為一類真正可以大放光彩的有用的材料。

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