金属有机框架材料教学内容
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。
无机化学中的金属有机框架材料
无机化学中的金属有机框架材料无机化学是化学的一个重要分支，研究的是无机物质的结构和性质。
而金属有机框架材料（Metal-Organic Frameworks, MOFs）是一种新型的无机化学材料，是由有机配体和金属离子构成的网状结构。
MOFs具有高度可控的孔隙结构、巨大的比表面积和吸附能力、可控的光学、电学、磁学性质等特点，是具有应用潜力的重要无机化学材料。
一、 MOFs的基本结构和制备方法MOFs的基本结构是有机配体和金属离子通过配位键连接而成的三维网状结构。
由于有机配体和金属离子的多样性，MOFs材料的结构和性质也非常丰富多样。
MOFs中金属离子可以是过渡金属离子、碱土金属离子、稀土金属离子等多种类型，而有机配体也可以是醛类、酸类、胺类、烃类等多样的分子，这些物质可以形成不同形状的孔道，而这些孔道的大小和形状也决定了MOFs材料的吸附能力。
MOFs的制备方法一般分为两种类型，一种是自组装法，一种是物理合成法。
自组装法是指由有机配体和金属离子在水热条件下通过配位键构成框架结构，这种方法常常需要控制水热反应时间、PH值、温度等条件，以合成特定的结构和性质。
而物理合成法则是指采用物理方法将有机和金属化合物某些条件下同时加入反应体系中，使得它们发生化学反应并形成MOFs材料。
这一方法可以得到大量、均匀、高质量的MOFs材料。
二、 MOFs在吸附、储能领域的应用MOFs是一类高度可控的材料，具有巨大的比表面积和吸附能力，是吸附和储能领域的新型材料。
MOFs材料中的孔隙结构可以用于吸附小分子、离子、气体等，具有很强的吸附选择性和储存能力。
例如，MOFs材料可以用于水处理、气体存储和催化反应中。
此外，MOFs材料还被广泛的应用于能源储存领域，如高容量、高效的储氢和储能体系。
MOFs制备时可以控制其孔隙结构大小和形状，不仅能够将能量转化为可控的化学能，还可以将化学能变为可用的储能形式。
以MOFs为储能体系的电极电容器就呈现了很大的前景。
金属有机骨架材料MOFs及其应用ppt课件.ppt
Gu, Z. Y. Yan, X. P. Angewandte Chemie-International Edition 49, 1477-1480 (2010)
Hydrogen Storage in Microporous rganic Frameworks
Rosi, N. L. Eckert, J. Eddaoudi, M. O'Keeffe, M.Yaghi, O. M. science 300, 1027-1029 (2003)
MOF-5的储氢性能
实验流程图
吸附性能
富集效果
105ppb
2030ppb
Metal–Organic Framework MIL-101 for HighResolution Gas-Chromatographic Separation of
Xylene Isomers and Ethylbenzene
• We show the first fabrication of the MOFcoated capillary column for high-resolution GC separation.
78K
298K
Rowsell, J. L. C. Spencer, E. C. Eckert, J. Yaghi, O. M. science 309, 1350-1354 (2005)
Metal Organic Frameworks as Adsorbents for Trapping and Preconcentration of Organic Phosphonates
铁基金属有机骨架材料(Fe-MOFs)简介教学内容
单主击要此合处成添方加法文字标题
溶剂热法（Solvothermal Synthesis）
FeCl3 + NH2-H2BDC
（乙腈为反应媒介）
在NaOH大量存在的时候，Fe-MIL-88B-NH2结晶
即使NaOH很少，Fe-MIL-88B-NH2也会结晶
Inorganic Chemistry, Vol. 47, No. 17, 2008
展望
单致击谢此处添加文字标题
感谢老师和各位同学的聆听 欢迎批评指正！
此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！ 感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢
单常击见此应处用添加文字标题
储气
Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 5042–5046
J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 206–211
单常击见此应处用添加文字标题
储氢
J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 206–211
单常击见此应处用添加文字标题
Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 5042–5046
J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 206–211
单常击见此应处用添加文字标题
催化
材料选取
催化臭氧化
催化剂
O3
·OH
O21O2
催化剂
表面Lewis酸位点（吸附O3） 传质能力（孔隙度）
单常击见此应处用添加文字标题
传感器
应用原理：分析物与框架内的有 机配体或金属离子之间的相互作 用
Microchim. Acta 2017, 184, 2265
Biosens. Bioelectron. 2016, 86, 432
金属有机框架材料的制备与应用方法
金属有机框架材料的制备与应用方法金属有机框架材料（Metal-Organic Framework, MOF）是一种由金属离子或金属羧酸与有机配体相互作用形成的晶体材料。
由于其高度可控性和特殊的结构性质，金属有机框架材料在各个领域都有广泛的应用。
本文将从制备方法和应用领域两个方面来探讨金属有机框架材料的研究进展。
首先，我们来了解一下金属有机框架材料的制备方法。
目前常用的制备方法包括溶剂热法、水热法、气相法和物理混合法等。
其中，溶剂热法是最常用的制备方法之一。
通过将金属离子和有机配体在适当的溶剂中反应，形成均匀的溶液。
然后，将溶液加热至一定温度，使金属离子与有机配体形成框架结构，并逐渐析出结晶。
此外，水热法与溶剂热法相似，但是需要在高温高压条件下进行反应。
气相法则是通过金属离子与有机配体在气相中的反应，形成金属有机框架材料。
物理混合法则是将金属离子和有机配体以一定比例混合，然后通过加热或振荡等方法使其结晶形成框架结构。
接下来，我们了解一下金属有机框架材料的应用领域。
由于金属有机框架材料具有大比表面积、可调节的孔径和丰富的功能基团等特点，因此在气体吸附与分离、催化、传感、能源存储等领域有着广泛的应用前景。
首先是气体吸附与分离。
由于金属有机框架材料具有特殊的孔结构，可通过调节孔径和表面修饰来实现对不同气体分子的选择性吸附和分离。
例如，通过选择性吸附二氧化碳，可以应用于二氧化碳捕获和储存，减少温室气体排放。
此外，金属有机框架材料还可应用于天然气分离、有机气体捕获等领域。
其次是催化领域。
金属有机框架材料可以通过调节金属离子和有机配体的种类和比例，来实现对于不同催化反应的调控。
例如，可将金属有机框架材料作为催化剂用于有机反应，具有高催化活性和选择性。
此外，金属有机框架材料还可应用于电催化、光催化等领域。
再次是传感领域。
金属有机框架材料可以通过调节其结构和组分，实现对特定物质的检测和传感。
例如，通过改变金属离子和有机配体的种类，可以制备出针对特定有机分子或金属离子的传感材料。
金属有机框架材料及其应用
金属有机框架材料及其应用金属有机框架材料（Metal-Organic Frameworks, MOFs）是一种以金属离子为中心、有机配体构筑而成的材料，其独特的孔隙结构和表面功能化被广泛研究和应用。
MOFs的结构特点使其具有高度可调性和多样性，适用于各种领域的应用，如气体储存、分离、催化、传感和药物递送等。
本文将从材料的特点、合成方法和应用方面进行探讨。
1. 材料特点：MOFs的最大特点是具有大量的空间结构，使其在气体吸附和分离等领域有着广泛的应用前景。
MOFs可以根据需要调整其孔道大小和结构，包括孔径大小、孔隙度、孔壁厚度等。
此外，MOFs的层间距也可以进行调节，从而实现多样性的应用。
同时，由于其晶格中含有可自由组合的金属离子和有机配体，MOFs具有优异的化学和物理特性，比如可逆转化和多彩的发光性质等。
2. 合成方法：MOFs的制备方法多种多样，包括溶剂热法、水热法、微波法等，其中最常用的是溶剂热法。
制备MOFs的关键是要选择合适的金属离子和有机配体，以及适宜的配比和条件。
此外，还需了解不同合成方法的适用范围和优缺点，以便有效地合成所需的MOFs。
3. 应用方向：3.1. 气体储存和分离：由于MOFs中的孔道可以装载气体分子，因此被广泛应用于气体储存和分离领域。
MOFs可以根据需要，选择性地吸收和释放气体，从而实现高效低成本的气体分离。
例如，通过调节MOFs的孔径大小和化学性质，可以实现对二氧化碳、氢气等气体的高效固定和分离，这对于环保和工业生产是非常有意义的。
3.2. 催化应用：MOFs的孔道结构和表面化学性质是其在催化反应中的重要特点。
MOFs可以作为催化剂和反应支撑材料，具有较高的选择性和活性。
MOFs也可以通过修饰其表面，引入酸碱、金属等辅助活性位点，实现催化反应的协同作用。
例如，MOFs在催化剂、电催化和光催化反应等领域均有亮点，对生命科学、化学能量等具有重要的意义。
3.3. 传感应用：MOFs的结构特点和表面化学性质使其成为一种优良的传感材料。
金属有机框架材料简介
金属有机框架材料简介1. 什么是金属有机框架材料？说起金属有机框架材料，很多人可能会皱眉，心想这又是什么新鲜玩意儿？别急，听我慢慢给你讲。
简单来说，金属有机框架（MOF）就是一种由金属离子和有机配体构成的材料，像是一座用金属和分子搭建的精致建筑。
想象一下，这种材料就像是一个迷你版的蜂巢，里面有许多小孔洞，这些孔洞不仅让它们看起来神奇，还赋予了它们独特的性质。
1.1 MOF的构造首先，MOF的构造特别迷人。
金属离子在这个结构中扮演着支架的角色，就像是建筑中的钢筋，而有机配体则像是砖块，把这些金属离子紧紧地连接在一起。
这样的组合让MOF拥有了大量的孔隙，可以储存气体、液体，甚至是药物，真的是个多才多艺的小家伙。
1.2 MOF的特点再来聊聊MOF的特点。
你知道吗？这些材料的比表面积大得惊人，通常能达到几千平方米每克，这简直就像是一个超级吸尘器，能吸附大量的分子。
而且，它们的结构可以根据需求进行调整，就像变形金刚一样，随时变化！这使得MOF在气体存储、分离、催化等领域都显得特别有用，真是个无所不能的“小能手”。
2. MOF的应用那么，MOF到底有什么用呢？先来聊聊它在气体存储方面的应用。
随着环保意识的增强，很多人开始关注氢气和二氧化碳的存储。
MOF的高比表面积和孔隙结构，使得它们在储存氢气时，能做到既安全又高效，简直是给新能源的发展添砖加瓦。
2.1 催化反应除了气体存储，MOF在催化反应方面也展现了强大的潜力。
你知道吗？在化学反应中，催化剂的作用就像是加速器，能让反应更快速、效率更高。
MOF由于其独特的结构，可以提供更多的反应位点，使得反应速度提升，降低了能量消耗。
这一特点让它们在化工行业中大放异彩，像是化学反应中的“超人”。
2.2 环境治理再说说环境治理。
随着工业化的推进，环境污染问题日益严重。
MOF可以用于水处理和空气净化，吸附有害物质，减少污染。
就像是给环境做了一场“美容”，帮助清理那些碍眼的污垢。
金属有机骨架材料(MOFs)PPT课件
精选PPT课件
5
MOFs are composed of metal nodes and organic linkers that can be systematically tuned in terms of chemical composition and precise arrangement— an attribute that differs from purely inorganic zeolites,which consist largely of silicon or aluminium ions linked by oxygen atoms.
2 Stability of metal–organic frameworks
3 MOF stability in catalytic systems
4 Future perspectives
精选PPT课件
3
1
Introduction
精选PPT课件
4
Metal–organic frameworks (MOFs) are a scientifically compelling and functionally evolving class of meso-, micro- and ultramicroporous materials. MOF structures encompass dozens of topologies, including several, such as sodalite and Rho, that are also well known for zeolites. MOFs have been explored for many applications including, but not limited to, gas storage and release, chemical separations, drug delivery, catalysis, light harvesting and energy conversion, and, recently, the degradation of toxic substances such as chemical warfare agents
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
机理与过程: 载体基板经过有机官能团如羟基、羧基、氨基、吡啶基
等修饰后,可以与金属离子发生配位作用,从而进一步不断与有 机配体、金属离子分步逐层发生配位作用,最后实现MOFs在基 板上的层层生长。这类方法主要用于制备SURMOF膜。
金属有机框架膜的应用
越来越多的MOFs材料被设计与合成,并且应用于气体存 储与分离、发光、催化等。对MOF膜的应用研究也引起了广大 的关注。MOF膜体现的优异的气体分离性能,使其能在能源、 工业、环境等领域具有潜在的应用前景。同时,MOF膜对气体 与蒸气的传感与选择性探测的应用,使其在工业生产、化学污 染气体探测、公共场所的安全、环境监测等具有广阔的应用 前景。MOF膜具有成本低、过程简单等特点,MOF膜的研究与发 展对于MOFs材料的器件化和商业化具有重要的意义。
金属有机框架材料
一、选择透过性是膜 最显著的一个特点； 二、膜能够充当两相 之间的界面或者是屏 障，该膜要能够与两 侧的流体相互接触； 三、膜的传质动力可 以是温度差，浓度差， 电势差，压力差等。
金属有机框架膜的合成策略
通过一定的方法可以获得两种类型的金属有机框架膜: (1) 金属有机框架晶体或粒子任意取向地堆积在支撑体表面的多 晶膜, 此种膜上的晶体可以是互生并完全覆盖载体的表面, 也可 以是晶体散落在载体上; (2) 载体表面与金属有机框架的晶体之间具有相互作用, 导致晶 体沿着某一个特殊的方向生长,从而获得具有择优取向的金属有 机框架膜。虽然金属有机框架膜的制备方法很多, 根据制膜材料、 载体结构、膜孔径大小、孔隙率、载体性质和膜厚度等的不同, 可以选择不同的制膜方法.
此外, 作为薄膜, Pd和MOF-5 膜可作为催化电极和传感 器. Schwab 等将HKUST-1 材料长在大的管状支撑物上, 形成MOF@大孔支持的复合膜, 以此作为催化反应器。
前景与展望
金属有机框架膜是无机膜领域的前沿方向之一,其在基础 理论和实际应用方面显示了巨大的潜力. 相对分子筛膜, 金属有机框架膜具有众多的突出优点: (1)独特的柔性框架结构使膜与载体之间的热膨胀系数更 好地匹配, 提高了金属有机框架材料的热稳定性,有利于 分离模具的构建; (2) 金属有机框架膜的分离性能可以通过吸附选择性和扩 散选择性来预测和设计; (3) 基于疏水金属有机框架材料构建的疏水复合基质膜具 有优异的分离性能; (4) 控制金属有机框架结构与官能团种类, 进而调节催化 或传感的活性与选择性; (5) 金属有机框架材料的可设计的柔性和骨架可调性使其 成为新型质子传导材料的候选.
气体膜分离
膜分离主要是利用混合物中各组分在通过膜这一障碍 物时展现不同的渗透性能来实现组分的分离、浓缩和提纯。 组分分子在多孔膜中传质机理主要有：Knudsen扩散，分 子筛筛分机理以及表面扩散流。
Байду номын сангаас
化学传感与探测
金属有机框架材料结构和性质的可调控性使其具有优 于其他化学传感材料的重要优势.。金属有机框架材料的高 孔隙率可以为传感提供高的灵敏性和他们用铜片作电极, 采用蒸发的方法在膜的上面覆盖圆形的铝电极, 通过改变 相对湿度来检测电容的线性响应, 结果显示出很好的灵敏 性和选择性, 而且测试结果随着时间的延长具有再现性和 稳定性.。
逐层(LBL)沉积法
通常情况下, 金属有机框架膜的合成与金属有机框架 粉末的合成相似, 但这些合成条件可能不是膜形成的最优 条件, 直接的生长方法往往需要自组装单层或晶种将载体 的表面功能化促进膜的形成。在某些情况下, 金属有机框 架膜的获得可以通过载体分别浸泡在金属和有机前驱体的 溶液中, 一次一个分子层或离子层的方式来生长 载体表面 上修饰的功能基团可能导致金属有机框架结构在一个特定 的晶体方向生长, 从而形成具有择优取向的薄膜。
二次生长法
二次生长法又称晶种法, 是将晶体成核和晶体生长的
步骤在水热/溶剂热合成之前分开。
首先合成出均匀的纳米级金属有机框架晶种, 然后用物 理方法在载体表面形成一层MOF晶种层, 再将载体放入一 定浓度MOF 膜的合成液中, 在一定条件下晶化成膜。晶种 的存在使膜的形成不需要成核期, 改变了晶体在载体上的 生长行为, 缩短了合成时间, 从而可以得到均匀的且厚度较 薄的金属有机框架膜。
直接法的优点在于操作过程简单、适用性强、投资成 本低，但由于合成液在支撑体表面随机成核, 因而直接法 对合成条件的要求比较苛刻.
以MOF-5为例,首先多孔氧化铭放置于1,4-对苯二甲酸的 DMF溶液中半小时,然后再加入脱水的Zn(N03)2·0.86H20,最 后加热至105℃，溶剂热反应便可得到M0F-5多晶膜。下图 表明M0F-5颗粒在多孔氧化铭基扳上形成连续密堆积,从截面 图可以估计其膜的厚度约为5μm。
对于大多数MOFs,采用大尺寸的MOFs颗粒作为晶种时并不 能制备出好的MOF膜。制备纳米尺寸的MOFs颗粒作为晶种,然 后采用二次生长法制备MOF膜成为解决该问题的方法。将室温 下制备ZIF-7纳米晶分散于聚乙稀亚胺的水溶液中,然后浸涂于多 孔氧化铝基板上,最后釆用二次生长法制备连续致密的、可用于 气体分离的ZIF-7多晶膜。在浸涂纳米晶时,聚乙稀亚胺通过氧键 作用增强了ZIF-7纳米晶与多孔氧化销基板之间的相互作用。
目前,MOF多晶膜的制备方法有：原位晶化法、二次生长法、 逐层沉积法等
原位晶化法
原位晶化法, 又称直接法。在水热或溶剂热条件下, 将载体直接与前驱溶胶或溶液接触, 金属有机框架晶体在 支撑体表面附近形成局部过饱和, 在支撑体表面产生晶核, 通过不断长大、相互融合、交联而形成金属有机框架膜。 在成膜过程中, 晶体的生长在支撑体的表面与溶液中同时 进行, 这种生长方法使得晶体以一定的互生及连续的形式 生长于支撑体的表面。
目前， MOF膜应用于传感与探测的方式有：发光性能 的改变（发光强度、峰位等）、膜颜色的变化、吸收光谱 的变化、质量的改变、电学性能的变化等等。
催化
大量的研究证实, 金属有机框架材料可以作为均相催化 物质且具有良好的活性和选择性。MOF 的无机-有机杂合 结构和多孔性, 为在孔结构中创造一个或多个催化位点提 供了很多机会。然而, 将金属有机框架膜用于催化应用的 例子却很少.Hermes 等将有机金属前驱体载入到MOF-5 膜, 采用氢气还原前驱体或用紫外灯光分解的策略将钯粒 子嵌入膜中。经此法制备的MOF-5 膜适合作为环辛烯加 氢催化的催化剂。