金属有机框架材料的研究进展_翟睿
金属有机框架材料的研究及在材料科学中的应用
金属有机框架材料的研究及在材料科学中的应用在当代材料科学领域中，金属有机框架材料已经成为了一个非常重要的研究领域。
这种材料在结构、性质和应用方面都具有独特的优势和特点。
本文将对金属有机框架材料进行一些简要的介绍，并探讨它们在材料科学中的应用。
一、什么是金属有机框架材料？金属有机框架材料(MOFs)是一种由有机连接剂和金属离子组成的网络状结构。
这种材料的独特之处，在于其内部具有大量的空隙，这些空隙大小、形状和位置可以通过调节其化学结构来进行设计和控制。
同时，这种材料的结构和形态也可以通过化学反应和物理过程进行精细调控。
这种材料具有良好的稳定性、可重复性和独特的功能性，因此在诸多领域中有着非常广泛的应用前景。
二、金属有机框架材料的结构和性质金属有机框架材料具有由有机配体和金属离子构成的多孔结构，具有非常高的比表面积和孔容量。
这种材料的孔径大小可以在分子尺度上进行调节，因此对于分子的吸附和分离具有非常好的选择性和特异性。
同时，由于其良好的稳定性和多功能性，金属有机框架材料还可以在催化、传感、药物传输和气体存储等方面发挥重要作用。
三、金属有机框架材料在环境中的应用1. 污水处理金属有机框架材料可以用于水中重金属和特定有机物的吸附和去除。
如铜、铅、锌和镉等重金属和苯酚、甲苯、萘等难降解的有毒有害物质都可以被金属有机框架材料吸附。
此外，通过改变金属有机框架材料的结构，还可以对水中有机物进行无害化处理和降解。
这种材料在环境保护中具有广泛的应用前景。
2. 气体吸附与储存金属有机框架材料在吸附各种气体方面具有非常好的效果。
其多孔结构和孔径大小可以很好地适应各种气体分子的大小，从而对各种气体进行选择性吸附和分离。
这种材料在氢气、氧气和二氧化碳等气体的储存方面具有广泛的应用。
3. 催化反应由于金属有机框架材料具有非常好的孔构造，可以用于催化剂的设计和合成。
这种材料可以用于多种催化反应，如羟基化反应、烷基化反应、有机氧化反应等。
金属有机框架材料在催化领域的应用研究
金属有机框架材料在催化领域的应用研究随着工业化的快速发展，人们对高效催化剂的需求越来越迫切。
金属有机框架材料（MOFs）由于其独特的结构与性能，在催化领域展示出巨大的潜力。
本文将探讨金属有机框架材料在催化领域的应用及其研究进展。
1. 金属有机框架材料概述金属有机框架材料是一种由金属离子或集群与有机配体通过配位键构成的晶态多孔材料。
由于其独特的孔道结构与表面活性，MOFs表现出了极高的比表面积和化学活性，使其成为催化领域的研究热点。
2. MOFs在气相催化反应中的应用MOFs在气相催化反应中展示出了出色的催化性能。
例如，ZIF-8作为一种常见的MOF材料，被广泛应用于碳氢化合物的转化反应。
其高度活性的金属离子与有机配体结构为气相反应提供了良好的催化活性和选择性。
3. MOFs在液相催化反应中的应用除了在气相反应中的应用外，MOFs在液相催化反应中也具有广泛的应用潜力。
例如，UiO-66等MOFs材料在液相反应中展示出了优异的催化性能，可应用于醇类的氧化反应、有机物的烷基化反应等。
其结构可调的特点使得MOFs材料可以通过合理设计来提高催化活性和选择性。
4. MOFs在光催化反应中的应用由于MOFs具有优异的化学稳定性和光学特性，因此在光催化领域中也展现出了广泛的应用前景。
一些金属有机框架材料，如MIL-125(Ti)，在光催化反应中可用于光催化水分解、二氧化碳还原等反应，显示出良好的光催化性能。
5. MOFs的催化机理研究MOFs材料的催化性能与其微观结构和孔道特性密切相关。
通过使用表征方法如X射线衍射、傅里叶变换红外光谱等，可以研究MOFs材料的结构、孔道和表面官能团的特征，以揭示催化机理和优化催化性能。
总结：金属有机框架材料作为一种具有高比表面积、多孔结构和可调性的新型材料，在催化领域展现出了巨大的应用潜力。
通过在气相催化、液相催化和光催化反应中的应用，MOFs材料已经表现出了优异的催化性能。
随着对MOFs催化机理的深入研究，我们相信金属有机框架材料将为催化领域带来更多创新，并在实际应用中发挥重要作用。
金属有机框架材料设计及其催化应用前景
金属有机框架材料设计及其催化应用前景金属有机框架材料(MOFs)作为一种新兴的多孔材料，在过去几十年中引起了广泛的研究兴趣。
这些材料由金属离子或团簇与有机配体相互作用形成稳定的结构，并具有高度可调的孔隙结构。
这使得金属有机框架材料在催化领域中具有巨大的潜力。
首先，金属有机框架材料的设计是一个关键的研究方向。
通过合理选择金属离子和有机配体，可以实现对孔隙结构的精确控制。
不同的孔隙结构可以调节材料的表面积、孔径大小和孔隙分布，从而影响材料的催化性能。
其次，金属有机框架材料在多种催化反应中展示了出色的催化活性和选择性。
例如，在气体吸附和分离、催化氧化还原反应、催化剂负载和光催化等领域中，金属有机框架材料都展现出了独特的催化性能。
这些材料具有高度可调的孔隙结构和丰富的官能团，可以提供有效的催化活性位点，并改善反应的质量传递和物质转移。
另外，金属有机框架材料还具有良好的催化稳定性和可重复使用性。
由于其稳定的结构和强大的剪切性能，金属有机框架材料在长时间反应和多次循环使用中表现出色。
这使得它们成为可持续催化的潜在候选者，有效减少资源浪费并降低催化剂的成本。
此外，金属有机框架材料还可以通过功能化改性来拓展其催化应用。
通过引入不同的官能团或改变有机配体的结构，可以调控金属有机框架材料的电子结构和表面性质，从而实现对催化性能的增强和调控。
这为开发高效催化剂和设计特定催化反应提供了新的思路和方法。
最后，金属有机框架材料在可再生能源催化、环境污染治理和可持续化学制造等领域有广阔的应用前景。
例如，将金属有机框架材料用于催化二氧化碳捕获和转化，可以有效减少温室气体排放并实现可持续能源的转化和利用。
此外，通过调控材料的结构和表面性质，可以实现对有害气体的高效去除和环境污染物的降解。
这些应用不仅可以解决环境问题，还可以促进可持续化学工业的发展。
总之，金属有机框架材料作为一种新兴的多孔材料，在催化领域具有巨大的潜力。
其精确可调的孔隙结构和优良的催化性能使其成为研究人员关注的焦点。
柔性金属有机框架功能材料研究取得进展_
柔性金属有机框架材料（MOF ）能够随客体分子灵活地变换其孔道结构及功能，在刺激响应型智能孔材料方面具有明显优势，如何系统地构筑以及修饰这类材料还面临着巨大的挑战，其中一个主要原因在于柔性的骨架结构在调控及修饰（包括前修饰以及后合成修饰）过程中容易变形或者坍塌。
在国家自然科学基金项目的支持下，福建物构所结构化学国家重点实验室张杰课题组孙建科博士等利用半刚性的吡啶鎓盐配体易与金属离子配位形成一维环链的特点，借助大环互锁这种独特的策略制备了一系列金属有机框架材料。
该系列材料均展现出一维纳米孔道，并且互锁的一维环链的角度随客体阴离子种类而变化，导致这类孔道呈现有规律的结构演化。
研究发现该系列结构能发生晶体到晶体的相互转化，而且转化能在不同维度的框架中实现。
此外，由于结构中引入了具有光活性的双烯键基团，能在光照的条件下实现 [2+2] 环加成反应，且这种反应恰好发生在互锁的一维环链之间。
环合产生的环丁烷共价键取代了之前的超分子弱作用，从而加固了柔性的孔道结构。
这一点在气体吸附方面表现得尤为明显，加固后孔材料的吸附性能得到了显著提升。
值得注意的是，这也是首次利用 [2+2] 环加成反应加固MOF 孔道结构，相关研究成果近期发表在著名的欧洲化学杂志上。
近年来，张杰课题组在吡啶鎓盐分子设计合成与组装领域开展了深入系统的研究，发展了系列具有螺旋手性结构的吡啶鎓盐有机小分子，在固体状态下展示了良好的光活性以及有趣的螺旋转化现象；通过引入额外的光活性基团，同时借助Cation-pi 结构诱导策略，发现了目前最大的具有光机械效应的单晶材料，其尺寸已达到厘米级别；在固体材料光信息存储方面，发展了系列刺激响应的开关材料，并首次获得了基于MOF柔性金属有机框架功能材料研究取得进展有机太阳能电池材料和有机太阳能电池可以通过溶液方法制成大面积薄膜器件，具有成本低、重量轻、可折叠、半透明等优点，随着电池转换效率的不断提高，有机太阳能电池已经显现出广阔的应用前景。
金属有机框架材料的研究进展
就 我们 高 中 生 而 言 ，对 于 金 属 有 机 材 料 的认 识 一 般 都 停 留在 理
论 的层面 ，没有机会见 到实际 的成 品，但是 我们 通过了解知道 在现
实生活中它们得到 了实际应用 ，做到了从实 验室 走出去到生活 中体
现 价值。
５ ． １ 在 气体 储 存 运 输 中 的作 用Байду номын сангаас
通 过对金属有机框架材 料的简要认知 ，我们 知道金属 有机材料
由于其合成物 的一些优势 ，可以解决许 多传统材料所 无法 完成的 问 题。比如针对气体 的储存运输 ，比如在 电子器械领域 的作用 。同时 也减 少了许 多的危险 。虽然近 几年 金属有机材料 的发 展十分迅速 ，
但 是 在 一 些 比 较 关 键 的技 术 上 ，还 是 存 在 一 定 的难 点 ，通 过 研 究 其 性 质 、结 构 ，可 以让 我 们 更 好 地 开 发 使 用 它 。
５结 束 语
以 上 是 我 进 行 的 一 些 总 结 ，作 为 高 中生 ， 我们 要 在 现 有 的 高 中
教材范 围内继续扩 展我们的知识 ，不断 查阅相关的文献加 深我们对 于金属有机材料 的认识 ，为以后深 入研究打下基础 。
２ ． ５ 微 波 加 热 合 成 法
介于上述两种方法之间的方法 ， 利用微波加热提供所需的条件 ，
最常见 的就是氢气 ，氢气容 易爆炸 ，在常温常 压下的管储存运输都 储运输 中，就是气体 与框架本身发生作 用，使得气体 直接储存在这 存在 巨大风险 ，还有就 是在 天然气 的储存运 输方面 ，金属有机 框架 些孔隙之 中 ，原理 类似水吸附在海绵 之中 ，不过谁与海绵只是简 单 材料有着 巨大 的市场潜力。
金属有机框架材料的研究进展
金属有机框架材料的研究进展金属有机框架材料(MOFs)是一种新型的多孔材料，其具有极高的比表面积、可控的孔径大小和晶体结构调控能力，成为当前材料研究的热点之一。
MOFs由金属离子或簇与有机配体组装而成，可以用于催化、气体吸附、分离、传感等领域。
随着MOFs的应用范围不断拓展，MOFs材料的研究也在不断深入。
本文将就目前MOFs的研究进展进行探讨。
一、MOFs历史发展MOFs的历史可以追溯到上个世纪50年代，当时研究人员发现了铜钴双金属有机框架材料，并将其用于高效催化氧化反应。
但是，由于这种材料的合成难度大，无法进行大规模制备，所以一度被忽视。
直到2000年，美国柏克莱国家实验室的研究人员通过与有机配体的结合，成功合成了一种稳定的金属有机框架材料——MOF-5，这开启了MOFs研究的新时期。
此后，MOFs研究得到了飞速发展，目前已经出现了数以千计的不同结构的MOFs。
二、MOFs的结构和制备方法MOFs的晶体结构是由金属离子或簇与有机配体通过化学键和范德华力组装而成的。
金属离子或簇作为MOFs的“节点”，可以连接有机配体上的配位原子而形成框架。
有机配体则是MOFs的“架桥配体”，通过其功能基团的作用增加框架结构的多样性和复杂性。
目前，MOFs的制备方法主要包括溶剂热法、水热法、固相合成法等。
各种方法的优缺点不同，选择适合的制备方法需要考虑样品的应用性能以及大规模制备的可行性。
三、MOFs在催化领域中的应用MOFs具有容易调节的孔径大小和化学结构的优势，在催化领域中应用得到了广泛关注。
例如，MOFs可以用于有机合成反应中的谷氨酰胺转移反应、氧化反应、还原反应等。
MOFs还可以作为催化剂载体，提高催化剂的活性和稳定性。
此外，在机械化学反应中，MOFs也有重要的应用。
四、MOFs在气体分离和储能中的应用MOFs具有晶体结构可控和可调性的特点，可以通过改变其孔径大小和配位基团的官能化实现气体分离和储能的应用。
金属有机框架材料的研究进展与应用
金属有机框架材料的研究进展与应用金属有机框架材料(Metal-Organic Frameworks, MOFs)是一种由金属离子或簇与有机配体构成的多孔晶体材料。
近年来，MOFs由于其储氢、气体吸附等方面的应用价值，成为了材料领域的研究热点之一。
本文将从材料的结构、制备方法、特性及其应用等方面，介绍金属有机框架材料的研究进展与应用。
一、材料结构和制备方法MOFs的特点是具有高度可控的结构，孔洞以及表面性质。
在结构上，MOFs通常是由金属离子作为桥接点与有机配体构成的三维网络结构，它们的孔道可由孔径大小和拓扑结构调节，具有设计性。
在制备方法方面，为了获得高度可控的结构，孔洞以及表面性质，MOFs的合成方法越来越多种多样，如热力学合成法、水热合成法、气相合成法、固相合成法等。
其中，水热合成法是目前最为常见的合成方法，因为该方法易于控制结构，成功率高，并且可以通过适当调整反应条件来合成各种具有不同性质的MOFs。
二、特性分析MOFs的多孔性质决定了其可广泛应用于吸附、分离、储存、传质和催化等方面。
MOFs的孔径大小、孔洞的连接方式以及表面性质可以通过调节其组成、结构以及制备条件进行控制。
例如，通过在MOFs中使用碳链的配体，可以减小孔径，即增加MOFs 的表面积和孔洞比表面积，从而增强其吸附性能。
三、应用研究MOFs的应用领域十分广泛。
在能源上的应用方面， MOFs可用于质子交换膜燃料电池、太阳能电池等干净的能源技术。
MOFs在环保领域中也有广泛的应用，如空气净化、水处理等。
此外，MOFs还被广泛地应用于储氢、气体分离、气体吸附等领域。
例如，MOFs具有高度孔径和表面积，可以用于储氢，可以储存更多的氢，从而扩大了储氢材料的使用范围。
四、结论与展望MOFs的研究和应用领域正在不断地扩大和深入。
MOFs的高度可控的结构、表面性质和孔道结构N给了它们在许多领域的广泛应用前景。
尽管存在一些问题，如生产成本高、MOFs的稳定性不足、在一定程度上限制了其的应用，但随着科技的不断进步和MOFs研究的深入，信心和热情让我们相信，在不久的将来，金属有机框架材料的研究及应用会有更加广泛的前景。
化学合成新里程碑金属有机框架材料制备及应用研究进展
化学合成新里程碑金属有机框架材料制备及应用研究进展金属有机框架材料（Metal-Organic Frameworks，MOFs）是一种由金属离子或簇与有机配体相互作用形成的多孔晶体材料。
由于其具有高度可调性和晶体结构的优势，MOFs在气体吸附与分离、催化、传感、能源存储等领域中展现出了广泛而重要的应用前景。
本文将重点介绍MOFs的制备方法以及在各个领域中的应用研究进展。
MOFs的制备方法多种多样，主要包括溶剂热法、水热法、常压固相法、超声波法等。
溶剂热法是最常见的制备方法之一，通过有机配体与金属离子或簇在高温高压下反应生成MOFs。
水热法适用于一些温和条件下的MOFs制备，通过在高压下反应得到MOFs。
常压固相法主要利用高温下的金属离子与有机配体的反应来制备MOFs。
超声波法则利用超声波的辐射效应来促进反应，加快制备过程。
随着研究的不断深入，各种新的制备方法如电化学合成方法、气相热分解法等也不断涌现出来。
这些制备方法的不断发展使得MOFs的结构和性能得到了更好的控制和改善。
MOFs在各个领域中的应用研究也取得了显著的进展。
在气体吸附与分离方面，MOFs因其高度可调性和大孔径的特点而成为理想的吸附材料。
MOFs可以通过调节它们的孔径和配位空间来实现对特定气体的选择性吸附和分离，如二氧化碳的捕获、乙炔的分离等。
在催化方面，MOFs由于其高比表面积和可调控的孔道结构，可以作为有效的催化剂载体。
研究人员已经成功地将MOFs应用于各种催化反应中，如选择性氧化、水相催化反应等。
此外，MOFs还因其优异的传感性能被广泛应用于生物医学和环境监测领域。
通过改变MOFs的结构和组分，可以实现对特定分子的高选择性检测，如氧气、荧光标记物等。
此外，MOFs还被广泛应用于能源储存领域，可以作为氢气、气体储存以及锂离子电池等能源储存材料。
虽然MOFs在各个领域中的应用潜力巨大，然而目前仍然存在一些挑战和问题需要解决。
首先，MOFs的制备过程一般较为复杂，并且受到金属离子、有机配体以及反应条件等多个因素的影响。
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间。多孔性是材料应用于催化、气体吸附与分离的 重要性质。材料的孔径大小直接受有机官能团的长 度影响，有机配体越长，除去客体分子后材料的孔径 越大。在实际应用中，选择不同的有机配体可以得 到不同孔径大小的材料，气体吸附与分离一般选择 孔径相对小、孔隙率高的 MOFs 材料； 催化应用则选 择孔径大的 MOFs 材料。此外，对于蛋白质或肽段 的吸附与分离，可根据材料的分子筛效应和性质，对 其按分子的大小或相互作用力的不同进行分离。
Abstract： Metal-organic frameworks （ MOFs） are a class of crystalline materials built from organic binding ligands and metal ions through self-assembly． Currently，MOFs have drawn a growing interest among the scientific teams of various fields． Compared with conventional inorganic porous materials，MOFs possess larger specific surface areas，higher porosity and diversity of structures and functions，thus many potential applications have been proposed in the domains of gas adsorption and separation，sensors，drug delivery，catalysis or others． The combinations of MOFs and other materials such as graphene oxide， magnetic nanoparticles have obvious advantages in adsorption and separation． The appearance of novel materials greatly promotes interdisciplinary developments such as organic chemistry，inorganic chemistry， coordination chemistry，materials chemistry，life science and computer science． This article reviews the progress of MOFs in recent years，including the characteristics of MOFs，advances at home and abroad， applications，central issues of compound MOFs and the prospects in the future． Key words： metal-organic frameworks （ MOFs） ； coordination polymers； porous materials
2014 年 2 月 February 2014
专论与综述
Chinese Journal of Chromatography
Vol． 32 No． 2 107 ～ 116
DOI： 10． 3724 / SP． J． 1123． 2013． 10002
金属有机框架材料的研究进展
翟 睿1，2 ， 焦丰龙2 ， 林虹君2 ， 郝斐然2 ， 李佳斌2 ， 颜 辉2 ， 李楠楠2 ， 王欢欢2 ， 金祖耀2 ， 张养军2* ， 钱小红2*
状、应用领域以及复合 MOFs 材料的研究热点，并对今后的发展进行了展望。
关键词： 金属有机框架； 配位聚合物； 多孔材料
中图分类号： O658
文献标识码： A
文章编号： 1000-8713（ 2014） 02-0107-10
Progress in metal-organic frameworks
ZHAI Ｒui1，2 ，JIAO Fenglong2 ，LIN Hongjun2 ，HAO Feiran2 ，LI Jiabin2 ，YAN Hui2 ， LI Nannan2 ，WANG Huanhuan2 ，JIN Zuyao2 ，ZHANG Yangjun2* ，QIAN Xiaohong2*
1999 年，Yaghi 小组［1］为了合成用于储气的新 型复合材料，受金属氧簇化学结构的启发，采用金属 簇 Zn4 O（ CO2 ） 6 和刚性有机配体均苯二甲酸合成了 经典的三维结构材料 MOF-5（ 见图 1） 。由于超四面 体金属簇具有规律的分支结构，因此与大多数多孔 沸石材料相比，在形成三维结构的同时也保证了大 的比表面积（ Langmuir 比表面积高达 3 000 m2 / g） 和 更高的孔隙率（ 55% ～ 61%） 。在除去客体分子后， 框架结构仍然稳定，甚至加热到 300 ℃ 亦如此。此 后，他们［7，8］又对 MOF-5 材料进行了气体吸附性能 的测试以及吸附位点的确定，通过比较得出 MOF-5 可吸附 N2 、Ar、CCl4 等。
* 通讯联系人． Tel： （ 010） 80727777-1231，E-mail： qianxh1 @ 163． com（ 钱小红） ； Tel： （ 010 ） 80727777-1142，E-mail： 13683167093 @ 163． com（ 张养军） ．
基 金 项 目： 国 家 重 大 科 学 计 划 项 目 （ 2012CB910603，2010CB912704 ） ； 国 家 重 大 科 学 仪 器 设 备 开 发 专 项 项 目 （ 2011YQ030139， 2011YQ06008408，2011YQ09000504，2012YQ12004407） ； 国家高技术研究发展计划项目（ 2012AA020202） ； 国家自然科学 基金重点项目（ 20735005，21275159，31100591） ．
（ 1． College of Life Science and Bio-Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100022，China； 2． State Key Laboratory of Proteomics，Beijing Proteome Ｒesearch Center， Beijing Institute of Ｒadiation Medicine，Beijing 102206，China）
收稿日期： 2013-10-08·108· Nhomakorabea色
谱
第 32 卷
离等方面。金属有机框架材料的研究涉及有机化 学、无机化学、配位化学、材料化学、生命科学以及计 算机科学等学科的最新成果，因而近年来 MOFs 受 到越来越多研究团队的关注。
1 MOFs 材料的特点
1． 1 多孔性及大的比表面积 孔隙是指除去客体分子后留下的多孔材料的空
2 MOF 材料的主要类型
1995 年，Yaghi 等［6］在 Nature 上发表了他们用 过渡金属 Co 和均苯三甲酸制备的二维结构的材 料，并 第 一 次 提 出 了 金 属 有 机 框 架 （ metal-organic frameworks） 材料这一概念。伴随着人们对材料氢储 能力越来越高的要求，MOFs 材料作为配位化学的 一个重要方向得到了极快速的发展。
（ 1． 北京工业大学生命科学与生物工程学院，北京 100022； 2． 蛋白质组学国家重点实验室， 北京蛋白质组研究中心，军事医学科学院放射与辐射医学研究所，北京 102206）
摘要： 金属有机框架（ metal-organic frameworks，MOFs） 材料是一类由有机配体与金属中心经过自组装形成的具有可
金 属 有 机 框 架 （ metal-organic frameworks， MOFs） 材料是将有机配体和金属离子通过自组装形 成的具有重复网络结构的一种类沸石材料，是近几 十年来配位化学领域中发展得比较快的新材料。与
传统的无机多孔材料相比，MOFs 材料具有更大的 空隙率和比表面积，尤其是可调节的孔径以及可变 的功能基团。目前，MOFs 材料已经应用于氢气存 储、药物运载、催化反应、生物传感器、气体吸附与分
比表面积是评价多孔材料催化性能、吸附能力 的另一重要指标，因此人们不断改变 MOFs 材料金 属中心和连接臂的主要目的之一就是使材料具有更 大的比表面积。例如，Yaghi 小组［1］合成的较早的 MOFs 材 料 MOF-5，其 比 表 面 积 约 为 3 000 m2 / g； 2004 年，他们［2］报道的 MOF-177，比表面积可达到 4 500 m2 / g，是当时报道的 MOFs 材料中比表面积最 大的一种； 2010 年，他们［3］合成出 MOF-210，其 BET 比表面积达 6 240 m2 / g，Langmuir 比表面积更高达 10 400 m2 / g，这个值已经接近固体材料比表面积的 极值。 1． 2 结构与功能多样性
2001 年，Yaghi 小组［9］在 Science 上报道了他们 利用金属铜和均苯三甲酸合成的具有连锁结构的 MOFs 材料 MOF-14。所谓连锁是指材料的骨架通