羧基配体金属有机骨架材料作为催化剂的研究进展

<正>金属有机骨架材料(MOFs)是由无机金属中心与多齿有机配体通过配位键形成的立体网络结构多孔晶体材料[1].MOFs具有多孔性、大比表面积、结构规整、有机配体的可修饰性、金属离子的可选择性等特点,在气体吸附、气体分离、磁性材料、光学材料和催化剂等领域得到广泛的应用[2-6].尤其是在催化方面,MOFs结合了金属有机配合物和分子筛的优点,可以直接用作催化剂,也可作为催化剂载体使用.     

MOFs在催化有机分子转化中的应用

金属有机框架化合物（MOF）,又称多孔性配位聚合物,是有机配体与金属离子自组装而成的一类新型有机-无机杂化多孔材料,是纳米材料的重要组成部分。与其他多孔材料相比,MOFs具有较大的比表面积、高的孔隙率以及结构和性质可调等特性,使其在非均相催化领域具有良好的应用前景。本文首先对MOFs催化的背景进行简述,然后对近年来报道的MOFs用于有机分子催化转化反应的进展进行了综述及展望,以期为MOFs催化有机反应的设计和开发提供参考。     

金属有机框架(MOFs)基光催化剂的设计及其在太阳能燃料生产和污染物降解领域的研究进展

金属有机骨架(MOFs)具有较高的比表面积,丰富的金属/有机物种,较大的孔体积以及结构和成分可调节的特性,因此在太阳能燃料生产和污染物的光降解领域具有广泛的应用.根据其结构特点,研究者们主要从有机配体和孔道结构两方面对MOFs进行调控:(1)对有机配体进行修饰,如将杂原子、羟基、卤素原子、金属离子、生物大分子等引入MOFs结构;(2)将无机纳米粒子引入MOFs孔道内,如将贵金属、金属氧化物、多金属氧酸盐等纳米粒子封装在MOFs的孔道内.这些策略可有效增强MOFs的导电性、稳定性等,并进一步提高MOFs基催化剂的光催化性能.本文首先概述了四种经典MOFs类型,即UiO,ZIF,MIL和PCN系列的结构特点和催化性能.其次,总结了在设计MOFs基光催化材料过程中,根据不同类型MOFs特点着重考虑的五方面因素,即稳定性、能带结构、吸附作用、选择性和电导性.再次,讨论了提高MOFs基光催化剂活性的策略,如助催化剂修饰、构建异质结、配体或金属中心修饰和缺陷工程.最后,总结了MOFs基光催化材料在催化还原CO₂、分解水制氢和降解有机污染物反应中的应用进展及影响其催化性能的主要因素.尽管MOFs基光催化材料研究已经取得了令人瞩目的进展,但对MOFs基光催化剂进行可控设计制备仍然存在挑战.如何实现纳米MOFs基光催化材料的制备与规模化生产、可调缺陷MOFs基光催化材料的精准设计、开发高稳定性的MOFs基光催化材料等仍需进一步探索.因此,未来需要从MOFs的纳米化合成、复合材料界面结构的精准调控、催化活性机制与稳定性关系等方面对MOFs基光催化材料进行深入的研究.     

金属有机框架(MOFs)基光催化剂的设计及其在太阳能燃料生产和污染物降解领域的研究进展（英文）

金属有机骨架(MOFs)具有较高的比表面积,丰富的金属/有机物种,较大的孔体积以及结构和成分可调节的特性,因此在太阳能燃料生产和污染物的光降解领域具有广泛的应用.根据其结构特点,研究者们主要从有机配体和孔道结构两方面对MOFs进行调控:(1)对有机配体进行修饰,如将杂原子、羟基、卤素原子、金属离子、生物大分子等引入MOFs结构;(2)将无机纳米粒子引入MOFs孔道内,如将贵金属、金属氧化物、多金属氧酸盐等纳米粒子封装在MOFs的孔道内.这些策略可有效增强MOFs的导电性、稳定性等,并进一步提高MOFs基催化剂的光催化性能.本文首先概述了四种经典MOFs类型,即UiO, ZIF, MIL和PCN系列的结构特点和催化性能.其次,总结了在设计MOFs基光催化材料过程中,根据不同类型MOFs特点着重考虑的五方面因素,即稳定性、能带结构、吸附作用、选择性和电导性.再次,讨论了提高MOFs基光催化剂活性的策略,如助催化剂修饰、构建异质结、配体或金属中心修饰和缺陷工程.最后,总结了MOFs基光催化材料在催化还原CO_2、分解水制氢和降解有机污染物反应中的应用进展及影响其催化性能的主要因素.尽管MOFs基光催化材料研究已经取得了令人瞩目的进展,但对MOFs基光催化剂进行可控设计制备仍然存在挑战.如何实现纳米MOFs基光催化材料的制备与规模化生产、可调缺陷MOFs基光催化材料的精准设计、开发高稳定性的MOFs基光催化材料等仍需进一步探索.因此,未来需要从MOFs的纳米化合成、复合材料界面结构的精准调控、催化活性机制与稳定性关系等方面对MOFs基光催化材料进行深入的研究.     

金属有机框架材料在环境化学中的研究进展

金属有机框架(MOFs)是一类由有机桥连配体与无机金属中心通过自组装形成的新型多孔材料.相比传统的多孔材料,MOFs具有比表面积高、孔径均一、结构可调节等优点,在基础理论研究和实际应用方面都表现出巨大的潜力.近年来,环境问题日益突出,开发新型材料解决环境问题迫在眉睫,MOFs材料在环境化学中的应用受到了广泛关注.本文主要介绍MOFs材料在催化、气体存储、气体吸附与分离、气敏传感和水体净化等多个领域的理论研究与应用现状,并进一步讨论了MOFs材料在该领域面临的挑战和发展趋势.     

提高金属有机骨架材料在二氧化碳热催化转化中的性能:策略及前景展望

近年来,大气中CO2的浓度不断增加,带来全球变暖等一系列严重后果,成为国际社会共同关注的环境问题.将CO2催化转化为高附加值化学品可有效降低其向大气中的排放,同时可实现其资源化利用,符合低碳社会的发展目标.目前,已有多种催化体系实现了CO2向不同化学品的转化.然而,由于CO2自身的热力学稳定性和动力学惰性,这些转化通常需要在苛刻的反应条件和较高能耗下进行.设计开发高效催化体系、实现温和条件下CO2的转化利用引起了工业界和学术界的广泛兴趣.金属有机骨架材料(MOFs)是一类由有机配体和金属中心通过配位键组装而成的有机-无机杂化材料,在很多方面展现出良好的应用性能.由于其结构的多样性、可设计性、高比表面积和多孔性等独特性质,MOFs在催化领域吸引了很多研究者的关注.其中,MOFs作为非均相催化剂在CO2热催化转化中表现出良好的应用前景,已实现多种CO2向高值化学品的转化路径.但这些催化体系也存在一些缺点,如有些MOFs材料在催化反应中稳定性差以及其微孔性对反应中的传质造成限制等.因此,设计稳定的MOFs和MOF-基材料并对其结构进行优化改性,从而在温和条件下实现高效的CO2转化具有重要意义.本文综述了提高MOFs在CO2热催化转化反应中性能的几种策略:(1)对MOFs结构中的配体进行设计,包括具有活性官能团的配体、活性配合物作为配体和引入混合配体设计多元MOF;(2)调节MOFs结构中的金属中心,设计混合金属中心和包含活性金属团簇的金属中心;(3)构筑多级孔MOFs;(4)设计MOF-基的复合材料,包括MOFs作为载体与金属纳米颗粒、活性配合物和聚合物构建复合材料;(5)利用MOFs作为前驱体制备MOF-基衍生物材料,重点阐述了如何增加MOFs作为非均相催化剂的催化活性位点以及在CO2转化反应中各位点之间的协同作用.此外,介绍了原位表征技术在MOF-基材料用于CO2固定和转化中的应用.最后,分析了MOF-基非均相催化材料在CO2热催化转化领域目前面临的问题和挑战,包括MOFs材料结构优化、催化机理研究和规模化制备等方面,并对未来的发展趋势进行了展望.     

金属有机骨架材料的复合成型

金属有机骨架材料(MOFs)是由有机配体与金属离子(簇)配位而成的有序杂化多孔框架晶体材料,具有比表面积高、密度低、孔结构可调、配体可设计及易修饰等特性,已广泛应用于分离、催化、传感和药物递送等研究领域。MOFs本身以粉体形式存在,在实际应用中不易于加工处理和回收再利用,甚至会导致粉体污染。因此对MOFs粉末进行复合成型,制备成复合颗粒或者膜材料,有利于推进其工业应用。本文按照MOFs制备和成型的先后顺序,对MOFs复合微珠、薄膜和混合基质膜成型体的制备方法进行综述,对推进MOFs成型体的大规模制备以及开发新的MOFs成型方法提供技术参考。     

金属-有机骨架材料及其在催化反应中的应用

金属-有机骨架(metal-organic frameworks, MOFs)材料是由金属离子和有机配体通过自组装而成的具有多孔结构的特殊晶体材料。由于其种类的多样性、孔道的可调性和结构的易功能化,已在气体的吸附和分离、催化、磁学、生物医学等领域表现出了诱人的应用前景。本文介绍了MOFs材料的类型和常用的合成方法,综述了近年来MOFs材料在催化领域的应用,特别是以MOFs材料中骨架金属作为活性中心、骨架有机配体作为活性中心和负载催化活性组分的催化反应,并对MOFs材料的催化应用趋势做了展望,以期对MOFs材料的催化性能有比较全面的认识。     

羧酸类金属有机框架材料的合成及应用

金属-有机框架材料(Metal-Organic?Frameworks,简称MOFs)是由金属离子（簇）与有机桥接配体通过配位共价键或弱相互作用自组装形成的一类具有分子内孔隙的有机-无机杂化材料。羧酸类MOFs材料中金属中心和有机羧酸配体的可变性导致了其结构和功能的多样性,在气体的吸附与分离、荧光、传感、药物传输以及电催化等多个领域展现了独特的应用前景,并被认为是当今科学上最有前途的材料之一。对于有机配体的选择,从早期易坍塌的含氮杂环类配体过渡到了如今稳定性好的羧酸类配体,解决了不少以前出现的MOFs材料结构单一易坍塌问题。     

金属有机骨架复合材料在样品预处理中的研究进展

金属有机骨架（MOFs）材料是近几年涌现出的一类新型多功能多孔材料,以金属离子或金属簇为配位中心,与含氧或氮的有机配体通过配位作用形成多孔骨架结构。相比于其他传统无机多孔材料,MOFs具有比表面积高、孔隙率大、热稳定性好和结构与功能多样化的特点,因而被广泛用于气体存储、催化、吸附和分离等领域。MOFs复合材料在样品预处理方面的应用引起了研究者们的极大兴趣和广泛关注。由于MOFs材料和不同功能材料如高分子聚合物、碳基材料以及磁性材料组装复合,使MOFs复合材料的性能优于原来的MOFs材料。综述了近年MOFs复合材料在样品预处理的研究应用,尤其是在固相微萃取、固相萃取以及磁性固相萃取等方面的应用。     

金属有机骨架材料在催化中的应用

金属有机骨架(MOFs)材料是一种相对新型的多孔材料,由于其结构的多样性、可设计性、可剪裁性以及超高的比表面积,近年来吸引了广泛的研究兴趣,并在很多领域展现了潜在的应用前景.特别是在催化方面的应用更受到了强烈的关注.本文的前两部分主要以催化活性位点的来源进行分类,包括配位不饱和金属中心、功能性有机配体、化学修饰接入功能位点以及嵌入在MOFs孔内的金属配合物或金属纳米颗粒等,总结了近几年来MOFs及其复合材料在多相催化方向取得的一些进展.同时在后面两部分也简要地介绍了MOFs在光催化及以MOFs为模板构筑的多孔纳米材料在催化(特别是电催化)方面的一些应用.最后,对MOFs在催化方面的应用前景做了展望.     

纳米金属有机框架材料在药物递送领域的应用

金属有机框架材料(Metal-Organic Frameworks, MOFs)是一类由金属离子及有机配体自组装而成的多孔材料,具有孔隙率高、比表面积大和结构多样化等独特优点,广泛应用于气体储存、物质分离和催化等领域。纳米尺寸金属有机框架材料(Nanoscale Metal-Organic Frameworks, NMOFs)既保持了传统MOFs的规整性,也具有纳米颗粒的特殊性质,在生物医药领域中是绝佳的药物载体。相比于传统纳米药物载体,NMOFs与药物的结合方式丰富,展现了多种药物装载模式,可以满足不同药物的制备需求,也可引入不同功能分子优化性能。最近,有越来越多的研究报道了多功能化NMOFs应用于药物递送领域,并实现刺激响应性的可控释放。本文将着重对NMOFs材料作为药物载体负载抗癌药物、光敏剂和核酸的应用进展进行综述。     

卟啉金属有机骨架材料的合成及其在催化反应中的应用

金属有机骨架(metal-organic frameworks,MOFs)材料不仅具有非常高的孔隙率和表面积,而且其骨架结构可调控性强,容易实现功能化。功能性MOFs材料是近年发展起来的均相催化剂多相化的有效方法之一。均相催化剂金属卟啉具有很好的催化活性,卟啉构建功能性MOFs材料主要通过两种方式:一种是卟啉作为有机构筑模块制备MOFs材料,另一种是将金属卟啉封装到MOFs内部。卟啉MOFs材料因集合了MOFs的微观结构可调控性和仿酶催化剂金属卟啉的特殊催化活性而引起广泛关注。本文介绍了卟啉MOFs材料的设计合成策略及近年来卟啉MOFs材料在催化领域中的应用,并对其催化应用趋势作了展望,以期对卟啉MOFs材料的设计合成及其催化性能有比较全面的认识。     

水分子对金属有机骨架材料结构及性能的影响

金属有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks, MOFs)是一种新型有机-无机杂化材料,其在气体的吸附分离、催化、磁学、生物医学等领域表现出诱人的应用前景.但是,在水分子存在的情况下MOFs结构及性能会受到很大的影响,极大的阻碍了其工业化进程.本文系统介绍了水分子对MOFs结构的破坏机理,并从金属和配体两方面总结了在水分子存在的情况下MOFs的稳定性问题;阐述了水分子的吸附机理以及吸附水分子后MOFs性能的变化;并且对水分子影响问题的研究趋势做了展望,以期为今后的研究提供参考.     

双金属金属有机骨架材料的制备及性能研究进展

金属有机骨架材料(MOFs)具有拓扑结构的多样性和丰富的比表面积,使其在催化和吸附领域具有潜在的应用价值。 双金属MOFs具有两种金属中心,较之单金属MOFs具有更加多元的催化活性位点和吸附位点,因此吸附选择性、选择催化性以及结构稳定性等均得到了提升。 本文就如何制备性能优异的双金属MOFs材料,以及这种材料的结构特点、性能提升和应用前景展开了概述。     

高稳定性金属有机骨架UiO-66的合成与应用

金属有机骨架(metal-organic frameworks,MOFs)是一种由金属中心与有机配体自组装而成的、具有三维网状有序孔结构的新型多孔晶体材料,其具有超高的比表面积、种类和结构多样性、可化学功能化等特点,在多个研究领域显示出了潜在的应用前景,已成为当前化学、材料学科的研究热点之一。 然而大多数MOFs材料的稳定性较差,极大地束缚了MOFs材料的发展。 以Zr为金属中心,对苯二甲酸为有机配体的UiO-66具有较好的热稳定性,结构可在500 ℃保持稳定,并且其还具有很高的耐酸性和一定的耐碱性,引起了人们的关注。 本文主要综述了UiO-66在合成调控、功能化合成和后改性方面的研究现状,以及其在吸附和催化等领域的应用前景。     

含N和羧酸混合配体构筑的金属有机框架化合物应用研究进展

金属-有机框架(metal-organic frameworks,MOFs)化合物是由金属离子和有机配体通过自组装而成的具有网格结构的晶态材料。由于其结构的多样性和孔道的可调节性,使其在气体的吸附和分离、离子识别、催化、磁性和生物医学等方面有着较好的应用前景。本文简单介绍了近十年来含N和羧酸混合配体构筑的MOFs化合物在设计合成和性能研究方面取得的进展,以期广大科研工作者能对MOFs材料在合成设计和性能研究方面有比较全面的认识。研究发现,在MOFs化合物的设计合成中使用含氮配体和芳香羧酸的混合配体是一种行之有效的策略,可以得到更多结构多样化和性能优良的MOFs材料。     

高效氧催化反应中的金属有机骨架材料（英文）

氧电催化反应包括氧气还原反应(ORR)和氧气析出反应(OER).作为核心电极反应,这两个反应对诸多能源存储与转换技术(比如燃料电池、金属空气电池以及全水分解制氢等)的能量效率起决定性作用.然而,ORR和OER涉及多个反应步骤、多个电子转移过程以及多相界面传质过程.这些复杂的过程较大程度上限制了ORR和OER的反应速率.从理论和实践两个方面来看,ORR和OER都需要高效电催化剂的参与来促进其反应速率,从而能够最终提高上述能源存储与转换技术的能量转换或利用效率.目前,以Pt,Pd,Ir,Ru为代表的贵金属基电催化剂具有十分突出的电催化性能.但是,过高的成本和过低的储量始终制约着贵金属基电催化剂在催化ORR和OER反应方面,乃至在能源存储与转换技术领域的规模化应用.因而,开发高效非贵金属基氧电催化剂成为近年来能源存储与转换领域的研究重点之一.在众多已经报道的非贵金属基氧电催化剂中,金属有机骨架材料(MOFs)备受瞩目.MOFs是一类由有机配体和金属节点通过配位键自组装而成的晶态多孔材料.它们具备超高比表面积、超高孔隙率以及规则性纳米孔道.相比较其他传统的多孔材料(比如活性炭、分子筛、介孔炭、介孔氧化硅等),MOFs最主要的优势在于它们的结构和功能可以依据需求通过选择合适的有机配体和金属节点进行便利地设计,或通过后处理进行必要的改性和调节.基于独特的多孔特性以及结构与功能的可设计、可调节性,MOFs在气体分离与存储、异相催化、化学传感、药物输送、环境保护以及能源存储与转化等领域都具有潜在的应用价值.因而,近年来,MOFs备受基础研究领域和工业界的青睐.针对MOFs开展的基础研究和应用开发逐渐成为诸多领域的研究焦点.也正由于MOFs具有的上述优异特性,尤其是结构与功能的可设计、可调节性,使得设计制备基于单纯MOFs以及MOFs衍生材料成为开发高效非贵金属基氧电催化剂的新途径.本综述首先论述了基于单纯MOFs的氧电催化剂(包括纯MOFs、活性物种修饰的MOFs以及与导电材料构成的复合MOFs)的合成以及它们在ORR或OER催化反应中应用的研究进展.在第二部分论述中,本综述主要针对MOFs衍生的各类氧电催化剂(包括无机微米-纳米结构/多孔碳复合材料、纯多孔碳材料、纯无机微米-纳米结构材料以及单原子型电催化材料)的研究进展进行了简要介绍和讨论.最后,本综述对MOFs基氧电催化剂目前存在的挑战进行了简要分析;同时,也对这类氧电催化剂的通用设计准则以及未来发展方向进行了展望.尽管存在诸多挑战,MOFs始终被认为是极好的"平台"材料.充分利用它们将有利于开发高效且实用的非贵金属基氧电催化剂.     

金属有机框架材料的研究进展

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调节孔径的材料。与传统无机多孔材料相比,MOFs材料具有更大的比表面积,更高的孔隙率,结构及功能更加多样,因而已经被广泛应用于气体吸附与分离、传感器、药物缓释、催化反应等领域中。新兴材料的出现极大地促进了各个学科间的相互发展,本文综述了近年来MOFs材料的研究发展,包括MOFs材料自身的特点、国内外发展现状、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。     

金属有机框架抗菌材料的研究进展

细菌耐药问题已经成为了中国乃至全球的重大公共健康威胁,设计合成新型抗菌材料以减少抗生素依赖成为当前化学化工、材料和生物医学领域中的重要研究课题.金属有机框架（Metal-organic frameworks,MOFs）材料是由有机配体和金属离子或团簇通过配位键自组装形成的多孔晶态材料,在气体吸附与分离、传感和催化等领域都扮演着重要角色.为了寻求更好应对细菌威胁的方式方法,国内外研究者们纷纷构建出不同结构的MOFs材料,并将其应用于抗菌领域.本综述从细菌耐药性的产生和MOFs抗菌机理等方面出发,分类概述了不同金属中心和配体MOFs材料、MOFs包覆金属纳米粒子材料和药物缓释MOFs材料等在抗菌、促进伤口愈合等方面的应用,归纳概括了MOFs材料在抗菌领域应用中仍需解决的科学问题,并对该领域的发展趋势进行了展望.