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。     

化学稳定金属有机框架的合成策略

金属有机框架(Metal-Organic Frameworks)是由金属离子或簇与有机配体通过配位键形成的具有孔洞结构的新一代晶态多孔材料，是近20年来配位化学领域的研究热点。作为新型多功能材料，MOFs具有高孔隙率、低密度、大比表面积、孔径可调、拓扑结构多样和可裁剪等优点，广泛应用于各种领域。尽管MOFs有许多优点，但是大多数MOFs材料的水和化学稳定性相对较差，在恶劣条件下结构无法保持，极大限制了它们的实际应用。因此，化学稳定的MOFs材料具有更大的应用前景。近年来，研究人员在提高MOFs化学稳定性方面进行了大量的探索，发展了一些非常好的方法合成化学稳定的MOFs材料。本文主要综述了近五年来化学稳定MOFs材料合成的最新研究进展。     

UiO系列金属-有机骨架的合成方法与应用

本文综述了包括UiO-66、UiO-67和UiO-68在内的UiO系列金属-有机骨架（MOFs）材料的合成方法、结构特点及各类应用。系统介绍了利用包括扩散法、溶剂热法、微波辅助法、机械研磨法、持续流合成法及电化学合成法等方法合成UiO系列MOFs材料的反应条件、产物特征及优缺点。UiO系列MOFs因稳定的Zr-O键及超高的配位数而具有超高热稳定性和化学稳定性等,其在化学催化、光催化、气体吸附、气体分离、液相吸附有机污染物、荧光、传感、医学和电容器等方面均具有十分广泛的应用。同时,本文还根据UiO系列MOFs材料的研究现状对其未来发展趋势进行了展望。     

多孔有机骨架材料对顺式二醇化合物富集分离的研究进展

基于在碱性环境下硼酸能与顺式二醇化合物可逆共价结合形成稳定的五元或六元环酯,而在酸性环境下环酯开环释放顺式二醇化合物这一特性,设计合成高效、高选择性、高富集性能的硼亲和材料的研究备受关注。近年来,许多研究工作者合成了各种类型的硼亲和材料,应用于高选择性富集顺式二醇化合物。金属有机骨架(MOFs)和共价有机骨架(COFs)由于具有孔径可调、高孔隙率、高比表面积、骨架结构可调和化学及热稳定性良好等特点,被广泛应用于色谱分离和样品前处理领域。为赋予MOFs和COFs材料对顺式二醇化合物的富集选择性,各种不同结构和不同种类的硼酸修饰的MOFs和COFs被合成出来。该综述主要是对近几年来80余篇源于科学引文索引关于硼酸功能化MOFs和COFs的种类、合成方法及其应用文章的总结,包括“金属配体-片段共组装”“合成后修饰”和“自下而上”的硼酸功能化多孔材料的修饰策略,以及硼酸功能化MOFs和COFs的种类,介绍了其在化学分析和生物分析领域的发展概况和应用前景,客观评价了硼酸功能化MOFs和COFs的区别和优缺点。该文旨在让研究人员能够充分了解近几年硼酸功能化多孔有机骨架材料的研究现状、掌握合成思路和方法,为其应用提供一定的理论指导和技术支撑,为加快硼酸功能化多孔有机骨架材料的商业化脚步贡献绵薄之力。     

UiO系列金属-有机骨架的合成方法与应用

本文综述了包括UiO-66、UiO-67和UiO-68在内的UiO系列金属-有机骨架(MOFs)材料的合成方法、结构特点及各类应用。系统介绍了利用包括扩散法、溶剂热法、微波辅助法、机械研磨法、持续流合成法及电化学合成法等方法合成UiO系列MOFs材料的反应条件、产物特征及优缺点。UiO系列MOFs因稳定的Zr-O键及超高的配位数而具有超高热稳定性和化学稳定性等,其在化学催化、光催化、气体吸附、气体分离、液相吸附有机污染物、荧光、传感、医学和电容器等方面均具有十分广泛的应用。同时,本文还根据UiO系列MOFs材料的研究现状对其未来发展趋势进行了展望。     

金属有机框架材料在光催化中的应用

金属-有机框架材料(metal-organic frameworks,MOFs)是一类基于金属离子与有机配体组装而成的配位多孔材料,具有高比表面积、多活性位点、结构可剪裁、易功能化等特征.相当一部分MOFs能够表现出类半导体的行为,其有序结构不利于光生电子-空穴复合中心的产生,同时其多孔特性更是便于光生载流子的快速/高效利用.因此,近年来MOFs材料在光催化领域受到越来越广泛的关注与研究.本文从光催化反应类型出发,包括光催化染料降解、光催化有机物转化、光催化裂解水产氢、光催化水氧化、光催化二氧化碳还原反应等,总结了近年来MOFs及其复合催化剂设计合成及在光催化领域的应用研究进展,同时简要介绍了部分MOF衍生材料在光催化领域的应用,并对MOFs材料在光催化领域的应用前景进行了展望.     

S-型分级多孔CdS/UiO-66光催化剂的构建实现4-硝基苯胺的高效还原

金属有机框架(MOFs)材料因其高孔隙率特性在气体吸附分离、药物传递、催化等领域具有广泛应用.近年来,将功能化纳米颗粒(NPs)封装在MOFs中的研究在催化领域引起了科学家的兴趣.其中,较大比表面积的MOFs可以为NPs的分散和固定提供理想的平台,而NPs反过来可以为催化反应引入更多的活性位点,提高催化效率.然而,MOFs本身的孔隙常局限于微孔(<2 nm),这极大地限制了NPs在MOFs孔隙中的有效封装.因此,设计并制备含有介孔(2?50 nm)或大孔(>50 nm)的多级孔MOFs,揭示其孔径大小对复杂NPs/MOFs复合催化剂催化性能的影响具有重要意义.然而,具有不同孔径MOFs的可控制备具有巨大挑战性,MOFs孔径如何影响和调控NPs/MOFs复合材料催化活性是一个悬而未决的科学问题.本文结合金属离子刻蚀法和调控配体法设计了两种具有不同孔径(大孔和介孔)的UiO-66,并系统研究了孔径大小对CdS NPs的分布以及所形成的复合催化剂CdS/UiO-66的催化性能的影响及机制.我们首先阐明了UiO-66调控孔径后影响和修饰CdS NPs的空间分布:对于具有开放大孔结构的UiO-66纳米笼,CdS NPs倾向于自发沉积在UiO-66纳米笼内壁上.相比之下,CdS NPs则主要附着于介孔UiO-66的外表面.据此,具有大孔和介孔结构的CdS/UiO-66表现出不同的光催化性能.以光还原4-硝基苯胺反应为例,大孔CdS/UiO-66的反应速率常数是介孔和实心样品的3?13倍,且优于许多文献报道的CdS复合材料催化剂,表明大孔结构在制备高效复合催化材料上的潜在优势.通过光吸收能力、能级结构等计算表征,该催化剂的电子空穴对传输遵循S-型异质结光催化机制;大孔CdS/UiO-66具有较高光催化活性可归因于纳米笼对NPs的限域效应,即CdS被限制在UiO-66纳米笼内,缩短了催化剂与底物之间的电子传输距离;空心纳米笼结构则保护其内部的CdS NPs免受光腐蚀的影响,进而获得较高的催化效率和循环稳定性.可见,本文提出了一种结合离子刻蚀法和调控配体法获得具有不同孔径MOFs的有效策略,阐明了调控MOFs的孔径尺寸可以影响NPs的空间分布,是制约其性能的关键因素,有望为高效催化剂的设计及催化机制的研究提供新的依据.     

金属有机框架与新型载药体系

金属-有机骨架材料(MOFs)是一类由金属离子与有机配体之间的配位自组装形成的新型多孔复合材料。因其具有高比表面积、可调的尺寸、拓扑结构多样性、合成简便、有机基团易于功能化等优点使其在生物分析、成像、传感、催化、气体存储与分离以及药物运载等领域具有广泛的应用前景。这里通过简要介绍MOFs的研究背景,基于MOFs孔径的药物装载策略以及MOFs药物释放的刺激响应方式,阐述MOFs作为药物递送载体的最新进展,为后期药物载体的设计提供参考。     

S-型分级多孔CdS/UiO-66光催化剂的构建实现4-硝基苯胺的高效还原（英文）

金属有机框架(MOFs)材料因其高孔隙率特性在气体吸附分离、药物传递、催化等领域具有广泛应用.近年来,将功能化纳米颗粒(NPs)封装在MOFs中的研究在催化领域引起了科学家的兴趣.其中,较大比表面积的MOFs可以为NPs的分散和固定提供理想的平台,而NPs反过来可以为催化反应引入更多的活性位点,提高催化效率.然而, MOFs本身的孔隙常局限于微孔(2 nm),这极大地限制了NPs在MOFs孔隙中的有效封装.因此,设计并制备含有介孔(2-50 nm)或大孔(50nm)的多级孔MOFs,揭示其孔径大小对复杂NPs/MOFs复合催化剂催化性能的影响具有重要意义.然而,具有不同孔径MOFs的可控制备具有巨大挑战性, MOFs孔径如何影响和调控NPs/MOFs复合材料催化活性是一个悬而未决的科学问题.本文结合金属离子刻蚀法和调控配体法设计了两种具有不同孔径(大孔和介孔)的UiO-66,并系统研究了孔径大小对Cd SNPs的分布以及所形成的复合催化剂CdS/UiO-66的催化性能的影响及机制.我们首先阐明了UiO-66调控孔径后影响和修饰Cd SNPs的空间分布:对于具有开放大孔结构的UiO-66纳米笼, CdSNPs倾向于自发沉积在UiO-66纳米笼内壁上.相比之下, CdSNPs则主要附着于介孔UiO-66的外表面.据此,具有大孔和介孔结构的CdS/UiO-66表现出不同的光催化性能.以光还原4-硝基苯胺反应为例,大孔Cd S/UiO-66的反应速率常数是介孔和实心样品的3-13倍,且优于许多文献报道的CdS复合材料催化剂,表明大孔结构在制备高效复合催化材料上的潜在优势.通过光吸收能力、能级结构等计算表征,该催化剂的电子空穴对传输遵循S-型异质结光催化机制;大孔CdS/UiO-66具有较高光催化活性可归因于纳米笼对NPs的限域效应,即CdS被限制在UiO-66纳米笼内,缩短了催化剂与底物之间的电子传输距离;空心纳米笼结构则保护其内部的CdS NPs免受光腐蚀的影响,进而获得较高的催化效率和循环稳定性.可见,本文提出了一种结合离子刻蚀法和调控配体法获得具有不同孔径MOFs的有效策略,阐明了调控MOFs的孔径尺寸可以影响NPs的空间分布,是制约其性能的关键因素,有望为高效催化剂的设计及催化机制的研究提供新的依据.     

功能化金属有机骨架材料去除饮用水污染物的研究进展

金属有机骨架(MOFs)材料是一类以过渡金属为中心、含杂原子的有机物为配体、通过配位作用形成的周期性网络多孔晶体材料。与其他的多孔材料相比,MOFs配体种类繁多,比表面积极大,孔径大小可调控且具有特殊(饱和或不饱和)的金属位点,在气体存储、催化、吸附与分离等领域有广阔的应用前景。近年来,功能化MOFs对污染物的富集和去除成为学者关注的热点。这是由于通过对MOFs进行功能化修饰,能够改变MOFs的孔径大小、表面带电性质等物化性质,从而实现对目标物更高效的吸附。该文综述了近年来功能化MOFs对饮用水污染物吸附的研究进展,包括饮用水污染物的类型及危害、功能化MOFs的制备方法以及去除饮用水污染物的应用,并对今后的发展前景进行了展望。     

UiO-67-Sal-CuCl2在空气中催化芳香醇的选择性氧化

利用水热法一步合成了金属有机骨架(MOFs)材料UiO-67-Sal, 并将3种铜盐固定在其表面, 研究了3种铜MOFs材料催化芳香醇选择性氧化的性能. 结果表明, UiO-67-Sal-CuCl₂催化剂对芳香醇选择性氧化反应具有良好的催化活性, 且在重复使用4次后, 依然保持较好的催化效果.     

Self-assembly of 3p-Block Metal-based Metal-Organic Frameworks from Structural Perspective

Metal-organic frameworks(MOFs) are a class of porous inorganic-organic hybrid materials, which are constructed from diverse inorganic building units and multi-functional organic ligands. Highly ordered pore structures and tailored functionalization have made MOF materials potential for applications in many fields. Among various MOF materials, 3p-block metal(Al, Ga, and In)-based MOFs exhibit higher chemical stability than divalent transition metal-based MOFs due to their higher valence. In this review, Al-MOFs and In-MOFs were mainly discussed from the perspective of categories of inorganic building blocks, coordination types, and numbers of organic ligands. This review will give intuitive guidance to the design and synthesis of novel 3p-block metal-based MOFs with potential applications.     

Molecular dynamics simulation study of drugs adsorption in UiO-66

Metal-organic frameworks (MOFs) are novel porous materials that have been extensively used in sensors, catalysis, gas storage and separation, and drug deliver owing to their adjustable pore size, large surface area and high porosity. Among diverse MOFs, UiO-66 can be a promising carrier for drug delivery due to high porosity and chemical stability. However, the adsorption mechanism of drugs in UiO-66 has not been identified and need a further investigation. Hence, we utilized molecular dynamic (MD) simulation to investigate the adsorption mechanism of UiO-66 as drug carriers. The MD simulation of UiO-66 exhibits the busulfan loading of 80 %, ibuprofen of 20 % and 5-fluorouracil of 30 %, respectively. We also demonstrated that the host-guest interaction between UiO-66 and drugs is dominated by the Van der Waals force. UiO-66 shows the highest affinity for busulfan compared with ibuprofen and 5-fluorouracil. In addition, it is certified the linear relation between the adsorption atoms and the interaction energy, which could help us to predict the interaction energy between drugs and UiO-66 by the contact atoms.     

Transformation of Metal‐Organic Frameworks into Stable Organic Frameworks with Inherited Skeletons and Catalytic Properties

Metal‐organic frameworks (MOFs) are an emerging class of porous materials with attractive properties, however, their practical applications are heavily hindered by their fragile nature. We report herein an effective strategy to transform fragile coordination bonds in MOFs into stable covalent organic bonds under mild annealing decarboxylative coupling reaction conditions, which results in highly stable organic framework materials. This strategy successfully endows intrinsic framework skeletons, porosity and properties of the parent MOFs in the daughter organic framework materials, which exhibit excellent chemical stability under harsh catalytic conditions. Therefore, this work opens a new avenue to synthesize stable organic framework materials derived from MOFs for applications in different fields.     

Terpyridine-Based 3D Metal–Organic-Frameworks: A Structure–Property Correlation

Design, synthesis, and applications of metal–organic frameworks (MOFs) are among the most salient fields of research in modern inorganic and materials chemistry. As the structure and physical properties of MOFs are mostly dependent on the organic linkers or ligands, the choice of ligand system is of utmost importance in the design of MOFs. One such crucial organic linker/ligand is terpyridine (tpy), which can adopt various coordination modes to generate an enormous number of metal–organic frameworks. These frameworks generally carry physicochemical characteristics induced by the π-electron-rich (basically N-electron-rich moiety) terpyridines. In this minireview, the construction of 3D MOFs associated with symmetrical terpyridines is discussed. These ligands can be easily derivatized at the lateral phenyl (4′-phenyl) position and incorporate additional organic functionalities. These functionalities lead to some different binding modes and form higher dimensional (3D) frameworks. Therefore, these 3D MOFs can carry multiple features along with the characteristics of terpyridines. Some properties of these MOFs, like photophysical, chemical selectivity, photocatalytic degradation, proton conductivity, and magnetism, etc. have also been discussed and correlated with their frameworks.     

Ionothermal Synthesis of Metal-Organic Frameworks Using Low-Melting Metal Salt Precursors**

Metal-organic frameworks (MOFs) are porous, crystalline materials constructed from organic linkers and inorganic nodes with myriad potential applications in chemical separations, catalysis, and drug delivery. A major barrier to the application of MOFs is their poor scalability, as most frameworks are prepared under highly dilute solvothermal conditions using toxic organic solvents. Herein, we demonstrate that combining a range of linkers with low-melting metal halide (hydrate) salts leads directly to high-quality MOFs without added solvent. Frameworks prepared under these ionothermal conditions possess porosities comparable to those prepared under traditional solvothermal conditions. In addition, we report the ionothermal syntheses of two frameworks that cannot be prepared directly under solvothermal conditions. Overall, the user-friendly method reported herein should be broadly applicable to the discovery and synthesis of stable metal-organic materials.     

全氟酰基合成后修饰UiO-66用于吸附有机污染物

以三氟乙酰基和五氟丙酰基为修饰官能团,通过合成后修饰（PSM）的方法对金属-有机骨架（MOFs）改性,得到疏水骨架材料（UiO-66-F1和UiO-66-F2）。2个骨架材料均显示出亲油性,这说明它们是油性溶剂潜在的吸附材料。修饰后MOFs材料的结晶性、稳定性和多孔性较UiO-66-NH₂仅有微小降低。UiO-66-F1和UiO-66-F2的Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面积分别为810和610 m²·g^-1。骨架材料因其合适的孔大小和疏水微环境,更容易吸附水中的有机污染物。此外,改性后材料对多种有机溶剂的吸附量显著提升,在经过10次的循环吸附后吸附量没有明显降低,具有出色的循环稳定性。     

MOFs – Metallorganische Gerüststrukturen. Funktionale poröse Materialien

MOFs (metal‐organic frameworks) have developed into an important class of materials. This is due to their potential application in the fields of catalysis, gas storage, nanoreactors, or drug release. MOFs are comprised of isolated metal ions or metal‐oxygen clusters, chains or layers, which are connected via organic linkers to form three‐dimensional frameworks of outstanding porosity. Owing to their modular assembly, the pores of MOFs can be tailored using functionalized linkers, following the principle of reticular chemistry.     

共价有机框架材料在吸附领域的研究进展

共价有机框架材料(Covalent Organic Frameworks,COFs)是由有机结构单元通过共价键连接的具有期性结构的多孔化合物。共价有机框架材料具有永久的孔隙、高的比表面积、可调的孔径、易于功能化和高的水热稳定性等优点,广泛应用于许多领域。本文总结了COFs目前主要的合成方法,介绍了COFs在吸附领域的应用和发展。最后,文章指出未来的研究重点是发展更多有机反应和键连方式,合成具有高度稳定性和结晶度、成本低廉的功能性材料。     

Porous metal-organic frameworks as platforms for functional applications

Metal-organic frameworks (MOFs), also known as coordination polymers, have emerged as a new class of crystalline porous materials, which are constructed from metal ions or metal ion clusters and bridging organic linkers. MOFs have tunable pores and functionalities, and usually exhibit very high surface areas. The potential applications of porous MOFs cover a broad range of fields and most of their applications are related to pore sizes, shapes and structures/environments. In this feature article, we provide an overview of the recent developments of porous MOFs as platforms in the functional applications of sorption and separation, heterogeneous catalysis, as supports/host matrices for metal nanoparticles, and as templates/nanoreactors for new material preparation.