金属有机框架物催化有机反应综述

金属有机框架物(MOFs)是近十多年发展起来的一类新型有机-无机杂化材料,由有机配体和无机金属单元构建而成,一般具有多变的拓扑结构以及独特的物理化学性质.MOFs具有特殊的孔洞框架结构,材料种类繁多,比表面积大,其孔穴的大小、形状及构成等可以通过选择不同配体和金属离子,或者改变合成策略加以调节.构成MOFs的配体可以是有机酸,也可以是有机碱,还可以是其他特殊的结构,除此之外在配体上也可以连接特殊官能团,制备具有特殊功能的MOFs材料.由于MOFs具有特殊而又多种多样的结构,因此在功能材料、气体吸附、药物缓释、催化及有机合成等方面有广泛的应用.本文以形成MOFs的金属为分类就近十年来各种MOFs的制备及其在催化有机反应中的应用进行了综述,并对其未来研究加以展望.     

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.     

金属有机框架材料的结构、 动力学行为和主客体相互作用的固体核磁共振研究

金属有机框架材料(MOFs)在绿色能源气体储存、 二氧化碳捕获、 化学分离、 化学传感和多相催化等领域有着广泛的应用前景, 与其分子结构、 动力学行为以及与客体分子的相互作用密切相关. 固体核磁共振(NMR)能提供原子水平的结构距离信息, 能从多个时间尺度反映分子动力学行为, 能通过极化转移揭示主客体相互作用. 本文综述了近年来先进的固体核磁共振方法在研究MOFs的结构、 动力学行为以及主客体相互作用等方面的研究进展. 多核、 多维固体NMR可给出MOFs材料的金属中心以及有机配体的局部配位状态, 变温固体NMR可以反映MOFs的分子柔性以及有机配体在不同温度下的运动模式及速率. 固体NMR还可用来研究MOFs与吸附客体分子(如甲烷、 二氧化碳等)之间的相互作用模式. 通过固体NMR技术获得的结构信息有助于人们理解MOFs材料的构效关系, 并为合理设计新型的MOFs材料提供依据.     

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.     

金属有机骨架的高通量计算筛选研究进展

近年来，金属有机骨架（Metal-Organic Frameworks，MOFs）在气体吸附分离领域的研究获得爆发式增长.随着MOFs数量的剧增，高通量计算筛选成为从大量MOFs中发现高性能目标材料和挖掘其构效关系的最有效研究方法.本综述对MOFs的高通量计算筛选中所用到的数据库包括实验合成的MOFs组成的数据库（experimental MOFs，eMOFs）和计算机设计的MOFs数据库（hypothetical MOFs，hMOFs）、计算筛选方法包括基于分子模拟和机器学习的筛选方法，及其在CH₄储存、H₂储存、CO₂捕捉和其他气体分离领域的研究进展进行了总结.旨在通过梳理该领域的研究进展和思路，明确未来的研究方向和面临的挑战，加快MOFs的研发进程，促进MOFs的商业化应用.     

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.     

金属有机骨架材料在人体和环境中的降解及其机制

金属有机骨架(metal-organic frameworks, MOFs)材料是一类由金属离子(团簇)与有机配体形成的新型多孔材料,在生物医药和环境等领域具有广阔的应用前景.然而在应用过程中,人体的生理环境和外界环境均能引起MOFs结构的变化甚至降解,进而影响MOFs的功能及应用,并可能对人体和环境健康产生潜在风险.因此,本文系统归纳了模拟人体生理条件(如pH、离子、蛋白质/酶等)和环境条件(如水分子、氧化还原物质、光照、温度等)对MOFs降解行为的影响及其作用机制.在人体消化系统和血液中, pH和PO_4~(3-)是影响MOFs降解的主要因素,分别通过直接破坏MOFs中的配位键和金属导致其降解.在环境中,水分子则是影响MOFs稳定性的关键因素,主要通过置换反应置换MOFs中的有机配体或通过水解作用破坏MOFs中的配位键导致MOFs发生降解.这为明确MOFs降解行为及降解产物对人体健康影响及其环境归趋提供基础支撑.最后,本文结合现有问题对未来MOFs的降解研究进行了展望和建议,以期为MOFs的绿色、可持续应用提供理论依据.     

机器学习与分子模拟协同的CH4/H2分离金属有机框架高通量计算筛选

在减少CO₂排放、实现碳中和的背景下, 金属有机框架(MOFs)在清洁能源领域展现出广阔应用前景. 提出一种机器学习和分子模拟协同的分层筛选策略, 快速、准确地从134185个假设MOFs中识别出具有最佳CH₄/H₂分离性能的吸附剂. 首先, 根据MOFs的结构性质, 筛掉孔径或体积比表面积不恰当的吸附剂, 初筛后MOFs的数量减至62278个. 接下来, 抽取10% MOFs将结构和化学混合描述符作为特征, 利用随机森林分别构建变压吸附和真空变压吸附过程中其对CH₄的吸附剂性能得分(APS)预测模型. 相比于其他模型构建策略, 基于本策略构建的模型具有最优预测准确性, 可用于余下MOFs的性能预测. 随后根据APS预测值排序, 筛选出Top 1000的MOFs并利用分子模拟修正预测结果, 进一步确定了10个最佳MOFs. 最后, 对描述符的重要性进行解释, 揭示了实现模型在不同操作场景下的迁移具有潜力, 为未来开发适用于多操作场景下的高性能MOFs筛选方法提供了一条高效的研究路径和方法.     

金属有机框架色谱固定相的研究进展

金属有机框架(MOFs)是由金属离子或金属簇与有机配体通过配位作用自组装形成的一类新型多孔材料. MOFs具有独特的拓扑结构、丰富的孔隙结构、可调的孔道尺寸、巨大的比表面积以及灵活的表面修饰等特征,是色谱分离领域颇受关注的一类新型固定相. 综述了近几年MOFs材料作为固定相在气相色谱、液相色谱及手性拆分等领域应用的研究进展,展现MOFs材料在色谱分离领域的优异性能和应用潜力,并对MOFs材料在色谱固定相领域今后的发展进行了展望.     

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.     

含芴共轭高分子的合成、表征及性能研究——推荐一个高分子化学综合实验

推荐了一个高分子化学综合实验——含芴共轭高分子的合成、表征及性能研究。实验内容包括利用Sonogashira偶联反应合成共轭高分子,采用核磁共振和红外光谱等检测手段对其结构进行表征,并利用紫外-可见光谱、荧光和热重分析对其性能进行研究。本实验结合了高分子化学和聚合物仪器分析与表征的知识点,建议纳入高分子专业高年级综合实验课程。     

综合化学实验乙酰二茂铁的合成和表征详析

The acetylation, purification and characterization of a typical comprehensive chemistry experiment "the synthesis and characterization of acetylferrocene" were described in this paper. The details of reactants addition, reaction temperature control, neutralization, TLC monitoring, column chromatography and characterization of the product with infrared spectrum and hydrogen nuclear magnetic resonance spectrum were investigated. Instruction for students on how to plan comprehensive chemistry experiment, improve the ability for observing, analyzing and solving problems were discussed.     

多酸配位聚合物的制备与表征——推荐一个综合化学实验

介绍了一个综合化学新实验--多酸配位聚合物的制备与表征。通过杂多酸和有机配体的合成、多酸配位聚合物的制备和性能表征,使学生了解多酸配位聚合物这一无机合成化学前沿领域,在引导学生进行材料合成及性质表征的过程中,提高学生对已学知识融会贯通的能力,提升学生学习化学的兴趣。本实验综合了无机、有机化学知识点以及实验、仪器操作和数据分析能力的培养,可纳入高年级综合化学实验。     

席夫碱型有机小分子荧光探针的制备与表征——推荐一个综合化学实验

介绍一个综合型创新实验——有机小分子荧光探针的制备与表征。内容包括有机配体的合成及表征、荧光光谱的测试、金属离子的检测等。通过本实验的实践,既可以让学生更好地掌握无机、有机和分析化学相关专业知识,提升实验操作技能,又能让学生了解有机小分子荧光探针这一科研前沿领域,激发学生对科学研究的兴趣,培养科研能力。建议将本实验纳入本科高年级综合化学实验课。     

甲基橙插层水滑石的制备及表征——一个大学化学开放性实验设计

设计了一个参与科研型大学化学开放实验。该实验的主要内容包括:利用共沉淀法和电化学法制备前体水滑石,用离子交换法制备甲基橙插层水滑石以及利用IR、XRD、TEM、SEM、TG等手段表征材料结构。学生在掌握水滑石插层材料制备与表征方法的基础上,进一步自主设计实验方案,探究实验条件对插层材料结构的影响。     

一种金属有机框架纳米材料的制备及其染料吸附性能研究——推荐一个研究型综合化学实验

介绍一个从合成、表征到性能研究的完整研究型综合实验。合成路线巧妙,制备出了文献报道的尺寸最小的纳米金属有机框架。引入纳米材料研究基本表征手段和吸附动力学研究,通过实验教学展示材料研究方法,拓展学生知识面。通过对实验条件的设计,激发学生探索精神、培养学生创新意识、训练学生化学思维。     

聚乙烯吡咯烷酮聚合物复合膜的制备及其性能研究——推荐一个研究型综合实验

A research-based comprehensive experiment was introduced: preparation and investigation of polyvinylpyrrolidone (PVP) blend membranes in which PVP was employed as the membrane matrix. Three kinds of engineering thermoplastics were chosen to enhance the dimensional and mechanical stabilities of PVP based membranes. The physicochemical properties were investigated. This experiment relates to physical chemistry, polymer chemistry, organic chemistry, electrochemistry and instrumental analysis. It covers polymer blending, membrane fabrication by solution casting, characterization and performance test. Through this experiment, students can get knowledge of fabrication and characterization methods for polymer electrolyte membrane, which arouses students' interest in scientific research, cultivates students' innovative ability, fosters students' practical skills and promotes their integrative skills of applying knowledge.     

C18反相色谱固定相的制备及性能评价——介绍一个仪器分析拓展性实验

介绍了一个本科生仪器分析拓展性实验——C_(18)反相色谱固定相的制备及性能评价。实验内容包含色谱固定相的合成、表征、装填及其性能评价,实验过程涵盖了有机合成、物理化学和仪器分析知识。通过本实验的实践,拓展了经典仪器分析实验内容,有利于培养学生综合运用知识的能力和科研探究能力。     

大学化学综合实验:Fe/Fe3O4磁性材料的合成、结构性质与磁性能的测定*

推荐一个大学化学综合实验: Fe/Fe3O4磁性材料的合成、结构性质与磁性能的测定,该实验涉及材料的合成、结构表征和磁性能的测定。通过该实验可以使学生掌握一些大型仪器的基本原理和基本操作,掌握材料合成的方法、材料结构及形貌的表征手段以及磁滞曲线的测定方法。使学生在掌握材料研究的基础理论和基本实验技能的同时,培养学生独力实验能力和创新意识,尤其是培养他们综合运用知识的能力。进一步缩短教学与科研的距离。     

亚甲基蓝在介孔二氧化硅MCM-41表面的吸附性能研究——介绍一个物理化学综合实验

This study reports a comprehensive physical chemistry experiment including MCM-41 synthesis, characterization and adsorption performance. The adsorption processes of methylene blue on MCM-41were measured and analyzed according to Langmuir and Freundlich adsorption isotherms. This comprehensive experiment could help the students understand the structure-property relationship and adsorption processes on solid surfaces.