金属-有机框架作为异相催化剂的表征方法概述

作为一类具有大的比表面积、高孔隙率、合成方便、骨架规模可变、化学可修饰以及结构组成多样等优点的新型多孔材料,金属-有机框架（MOFs）在光电材料、药物传输、气体吸附分离及催化等领域有着广阔的应用前景,成为近年来研究的热点。异相催化是MOFs最具发展潜力的应用领域之一,各种表征方法和研究手段是开展MOFs异相催化研究的工作基础。本文主要围绕表征MOFs作为异相催化剂的常用技术手段进行介绍,包括X-射线单晶衍射、X-射线粉末衍射、热重分析、红外光谱/拉曼光谱分析、透射/扫描电镜等,旨在为开展相关MOFs催化研究提供一定参考。     

Cu-MOFs的生长调控及其催化水解羰基硫的性能

羰基硫(COS)广泛存在于以煤、焦炭、渣油和天然气等为原料生产的化工原料气中,不仅腐蚀管道设备,使下游催化剂发生硫中毒,而且还会造成环境污染.因此,COS脱除具有重要意义.在各种方法中,催化水解COS(COS+H2O→CO2+H2S)由于具有反应条件温和、转化率高和副反应少等优点越来越受重视.其关键在于发展高效的催化剂.近年来,金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks,MOFs)由于其独特的物理化学性质引起人们广泛关注.与传统材料相比,MOFs不仅拥有超高的比表面积和规则的孔道结构,而且其结构具有可设计性强和易调变等特点,是一类非常有潜力的多相催化剂.然而,目前MOFs在催化水解COS方面的研究应用未见报道.此外,MOFs的合成方法主要有水/溶剂热法、扩散法和微波辅助加热法等.近年来新发展的电化学法具有合成效率高、操作方便和环境友好等优点,在材料合成中显示出巨大的优越性,但利用电化学法合成MOFs相关研究还较少. 本文采用快速温和的电化学方法制备了典型的Cu-MOFs(HKUST-1).该方法可以有效缩短反应时间,通过调节反应电压(15–30 V),在室温下电解3 h,可得到一系列HKUST-1样品.根据合成中设置的电压值,样品分别命名为HKUST-1-E15,HKUST-1-E20,HKUST-1-E25和HKUST-1-E30.XRD表征结果显示,不同电压下合成样品的XRD谱图与通过晶体数据拟合的HKUST-1图出峰位置基本一致.SEM结果表明,合成电压对样品形貌的影响很大.HKUST-1-E15主要呈长棒状结构,长约为15μm.随着电压的增大,HKUST-1-E20的形貌逐渐转变为较短的四棱柱体.当电压为25 V时,所得HKUST-1-E25呈八面体状.进一步提高合成电压,HKUST-1-E30颗粒变小,没有特殊形貌,并出现明显的团聚.COS水解测试结果显示,不同电压下合成样品的活性差异大,这主要是由于样品的形貌及比表面积差异引起的.其中,HKUST-1-E25样品的活性较好.在150°C下,该样品对COS的转化率接近100%,比水热法合成的HKUST-1-Hy的活性更高.在此基础上,进一步对活性测试过程的条件进行优化,发现当原料气流速为30 mL/min,水温为40°C时,催化剂的COS水解性能最优.此外,样品的活性稳定性测试结果显示,相比传统的氧化铜材料,HKUST-1是一类较稳定的COS水解催化剂.     

Cu-MOFs的生长调控及其催化水解羰基硫的性能（英文）

羰基硫(COS)广泛存在于以煤、焦炭、渣油和天然气等为原料生产的化工原料气中,不仅腐蚀管道设备,使下游催化剂发生硫中毒,而且还会造成环境污染.因此,COS脱除具有重要意义.在各种方法中,催化水解COS(COS+H_2O→CO_2+H_2S)由于具有反应条件温和、转化率高和副反应少等优点越来越受重视.其关键在于发展高效的催化剂.近年来,金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks,MOFs)由于其独特的物理化学性质引起人们广泛关注.与传统材料相比,MOFs不仅拥有超高的比表面积和规则的孔道结构,而且其结构具有可设计性强和易调变等特点,是一类非常有潜力的多相催化剂.然而,目前MOFs在催化水解COS方面的研究应用未见报道.此外,MOFs的合成方法主要有水/溶剂热法、扩散法和微波辅助加热法等.近年来新发展的电化学法具有合成效率高、操作方便和环境友好等优点,在材料合成中显示出巨大的优越性,但利用电化学法合成MOFs相关研究还较少.本文采用快速温和的电化学方法制备了典型的Cu-MOFs(HKUST-1).该方法可以有效缩短反应时间,通过调节反应电压(15–30 V),在室温下电解3 h,可得到一系列HKUST-1样品.根据合成中设置的电压值,样品分别命名为HKUST-1-E15,HKUST-1-E20,HKUST-1-E25和HKUST-1-E30.XRD表征结果显示,不同电压下合成样品的XRD谱图与通过晶体数据拟合的HKUST-1图出峰位置基本一致.SEM结果表明,合成电压对样品形貌的影响很大.HKUST-1-E15主要呈长棒状结构,长约为15μm.随着电压的增大,HKUST-1-E20的形貌逐渐转变为较短的四棱柱体.当电压为25 V时,所得HKUST-1-E25呈八面体状.进一步提高合成电压,HKUST-1-E30颗粒变小,没有特殊形貌,并出现明显的团聚.COS水解测试结果显示,不同电压下合成样品的活性差异大,这主要是由于样品的形貌及比表面积差异引起的.其中,HKUST-1-E25样品的活性较好.在150°C下,该样品对COS的转化率接近100%,比水热法合成的HKUST-1-Hy的活性更高.在此基础上,进一步对活性测试过程的条件进行优化,发现当原料气流速为30 mL/min,水温为40°C时,催化剂的COS水解性能最优.此外,样品的活性稳定性测试结果显示,相比传统的氧化铜材料,HKUST-1是一类较稳定的COS水解催化剂.     

表面配位金属-有机框架薄膜HKUST-1在光电应用中的研究进展北大核心CSCD

金属-有机框架(MOFs)作为一种无机-有机杂化材料,由于其结构的多样性和独特的功能而在众多领域有着潜在的应用价值。尤其是液相外延层层组装的MOFs薄膜(称为表面配位MOFs薄膜,SURMOFs)因其具有可控的厚度、优选的生长取向以及均匀的表面等优点备受关注。本文总结了液相外延(LPE)层层组装MOFs薄膜的技术方法,如层层浸渍法、层层泵式法、层层喷雾法、层层旋涂法等组装方法,并介绍了经典的SURMOF HKUST-1的层层组装策略以及其在光致发光、光致变色、光催化以及电催化方面的相关应用。HKUST-1是经典的SURMOF材料之一,在光电领域具有广泛的应用,SURMOF HKUST-1具有以下独特的性能:可以作为发光载体实现良好的光学性能;具有独特的Cu催化活性位点的优势,有效地降解水中的污染物;因其具有介电特性而在电子器件方面有着潜在的应用。虽然HKUST-1在许多方面均具有独特的性能,但也面临着一些挑战:需要将薄膜的合成步骤简单化;薄膜结构和电催化行为间的机理也需要进一步的研究;降低HKUST-1的内阻的方法也需要进行改进。SURMOFs在大规模工业应用和扩展到其它未探索的领域还任重道远。     

用于电解水制氢的过渡金属有机骨架基催化剂

金属有机骨架(MOFs)材料因具有无机和有机的杂合性质、高度有序的多孔性、结构可修饰性、比表面积大和孔隙率高等特点,在催化领域具有广阔的应用前景。本文从氢能的开发利用角度出发,在纯MOFs、MOFs复合及衍生材料三个方面对近十年来过渡金属MOFs基催化剂在电解水制氢方面的重要研究进展进行了综述,着重针对材料的合成进行了探讨,以及在基础研究和产业应用的角度指出当前过渡金属MOFs基制氢催化剂面临的挑战和机遇,对其应用前景进行展望。     

金属有机化合物框架材料衍生M-N/C类氧还原电催化剂

过渡金属及氮共掺杂的碳基催化剂(M-N/C)由于具有几乎可以媲美铂的氧还原活性,已成为最为重要的一类非贵金属催化剂,被誉为最有可能在未来应用于燃料电池的一类非贵金属催化剂。金属有机化合物框架材料(MOFs)作为一种新型的结构规整的多孔材料,具有高孔隙度和形貌尺寸可控等特点,成为制备各种高性能掺杂碳基催化剂的良好前驱体,与过渡金属、氮和碳源的复合前驱体相比,以其为原料制得的衍生M-N/C催化剂往往表现出更优越的结构与性能,具备更好的应用前景,相关研究已成为燃料电池电催化领域的热点研究课题。本文系统地介绍了近年来国内外以MOFs为前驱体制备M-N/C催化剂的相关研究工作,包括:MOFs 衍生碳催化剂的制备技术,提升MOFs衍生碳催化剂结构及性能的研究以及这类催化剂表征技术的研究工作。总结和讨论了MOFs衍生M-N/C催化剂尚存的若干重要问题并提出了解决问题的可能举措,对这类催化剂的发展及应用进行了展望。     

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HKUST-1膜在气体分离中研究进展※

发展高效、绿色且节能的物质分离与纯化技术具有重要意义, 气体分离更是在工业、能源、医疗及科技等领域有着广泛的应用. 传统的聚合物膜在实现高效气体分离方面还面临许多挑战, 新型分离膜材料的开发是当前研究热点和难点. 金属-有机框架(Metal-Organic Frameworks, MOFs)材料作为一种新兴多孔配位聚合物, 由于其具有独特可设计的拓扑结构以及可调节的功能而受到科学家们的广泛关注. 为了克服粉体或块体MOFs很难被高效用于气体分离的难题, 开发可用于分离的MOFs膜材料是一项具有重要意义且具有挑战性的任务. HKUST-1作为一种代表性的MOFs材料, 由于其结构稳定且原料经济并具有多级孔径的结构, 常被用作制备成膜材料用于气体分离的研究和实际应用. 总结了近十年HKUST-1膜的制备方法及其气体分离性能的研究进展, 并对这个方向的研究提出了自己的看法和展望.     

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。     

HKUST-1的制备及其在化学固定二氧化碳中的应用

二氧化碳作为主要温室气体,引发了温室效应和一系列环境问题。为了减少二氧化碳排放并保持碳循环的平衡,通过化学固定将二氧化碳转化为增值产品的方法引起了人们的广泛关注。新兴的金属-有机骨架(MOFs)具有高表面积和均匀分散的催化位点,被认为是CO_2捕获和固定的理想的多相催化剂。本文研究了在温和反应条件(1atm CO_2和35℃)下,四丁基溴化铵作为助催化剂,HKUST-1催化环氧乙基苯与二氧化碳偶联反应的催化性能。HKUST-1显示出高效催化氧化苯乙烯环加成反应的活性,反应48 h后转化率可达88%。     

A sensitive fluorescent assay for thiamine based on metal-organic frameworks with intrinsic peroxidase-like activity

Metal-organic frameworks (MOFs) with tunable structures and properties have recently been emerged as very interesting functional materials. However, the catalytic properties of MOFs as enzymatic mimics remain to be further investigated. In this work, we for the first time demonstrated the peroxidase-like activity of copper-based MOFs (HKUST-1) by employing thiamine (TH) as a peroxidase substrate. In the presence of H₂O₂, HKUST-1 can catalyze efficiently the conversion of non-fluorescent TH to strong fluorescent thiochrome. The catalytic activity of HKUST-1 is highly dependent on the temperature, pH and H₂O₂ concentrations. As a peroxidase mimic, HKUST-1 not only has the features of low cost, high stability and easy preparation, but also follows Michaelis–Menten behaviors and shows stronger affinity to TH than horseradish peroxidase (HRP). Based on the peroxidase-like activity of HKUST-1, a simple and sensitive fluorescent method for TH detection has been developed. As low as 1 μM TH can be detected with a linear range from 4 to 700 μM. The detection limit for TH is about 50 fold lower than that of HRP-based fluorescent assay. The proposed method was successfully applied to detect TH in tablets and urine samples and showed a satisfactory result. We believed that the present work could improve the understanding of catalytic behaviors of MOFs as enzymatic mimics and find out a wider application in bioanalysis.     

Catalysis by metal-organic frameworks: fundamentals and opportunities

Crystalline porous materials are extremely important for developing catalytic systems with high scientific and industrial impact. Metal-organic frameworks (MOFs) show unique potential that still has to be fully exploited. This perspective summarizes the properties of MOFs with the aim to understand what are possible approaches to catalysis with these materials. We categorize three classes of MOF catalysts: (1) those with active site on the framework, (2) those with encapsulated active species, and (3) those with active sites attached through post-synthetic modification. We identify the tunable porosity, the ability to fine tune the structure of the active site and its environment, the presence of multiple active sites, and the opportunity to synthesize structures in which key-lock bonding of substrates occurs as the characteristics that distinguish MOFs from other materials. We experience a unique opportunity to imagine and design heterogeneous catalysts, which might catalyze reactions previously thought impossible.     

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.     

Metal–Organic Framework (MOF)-Based Materials as Heterogeneous Catalysts for C−H Bond Activation

Converting light hydrocarbons such as methane, ethane, propane, and cyclohexane into value-added chemicals and fuel products by means of direct C−H functionalization is an attractive method in the petrochemical industry. As they emerge as a relatively new class of porous solid materials, metal–organic frameworks (MOFs) are appealing as single-site heterogeneous catalysts or catalytic supports for C−H bond activation. In contrast to the traditional microporous and mesoporous materials, MOFs feature high porosity, functional tunability, and molecular-level characterization for the study of structure–property relationships. These virtues make MOFs ideal platforms to develop catalysts for C−H activation with high catalytic activity, selectivity, and recyclability under relatively mild reaction conditions. This review highlights the research aimed at the implementation of MOFs as single-site heterogeneous catalysts for C−H bond activation. It provides insight into the rational design and synthesis of three types of stable MOF catalysts for C−H bond activation, that is, i) metal nodes as catalytic sites, ii) the incorporation of catalytic sites into organic struts, and iii) the incorporation of catalytically active guest species into pores of MOFs. Here, the rational design and synthesis of MOF catalysts that lead to the distinct catalytic property for C−H bond activation are discussed along with the post-synthesis of MOFs, intriguing functions with MOF catalysts, and microenvironments that lead to the distinct catalytic properties of MOF catalysts.     

金属有机框架催化甲烷直接转化研究进展

甲烷作为重要的气态化石能源,广泛存在于天然气中.利用非均相催化剂将甲烷转化为液体燃料是天然气全面经济开发的有效策略之一.目前催化剂普遍存在催化速率较慢、效率不高及催化剂难回收的问题.作为较新出现的晶态多孔材料,金属有机框架(MOFs)已被证明在各种功能化纳米材料的设计和合成中是有前途的非均相催化剂或载体/前体.本文系统...     

Multi-functional sites catalysts based on post-synthetic modification of metal-organic frameworks

Multi-functional sites MOFs have been explored as a new type of heterogeneous catalytic materials, which can be constructed by various post-synthetic modifications.     

Catalysis in Single Crystalline Materials: From Discrete Molecules to Metal-Organic Frameworks

Catalysis is one of the key techniques for people's modern life. It has created numerous essential chemicals such as biomedicines, agricultural chemicals and unique materials. Heterogeneous catalysis is the new emerging method with reusable catalysts. Among heterogenous catalysis patterns developed so far, single crystalline catalysis has become the promising one owing to its high catalytic density and selectivity resulted by the inherent porosity, orderliness of the lattices and permeability. These crystalline catalysts could be used in various reactions such as photo-dimerization, Diels-Alder reaction, CO₂ transformation and so on. In this review, we highlighted the reported works about the single crystalline catalysts. Both discrete small molecules and metal-organic frameworks (MOFs) have been used to prepare single crystals for catalysis. For discrete molecules based crystalline catalysts, coordinated and covalent molecules have been used. There were more catalytic modes in crystalline MOF catalysts. Three patterns were identified in this review: single crystalline MOFs i) without catalytic sites, ii) with inherent catalytic features and iii) with introducing catalytic units by post synthetic modification. Based on these examples, this review committed to provide the inspirations for the further design and application of single crystalline materials.     

Highly Stable Copper(I)–Thiacalix[4]arene-Based Frameworks for Highly Efficient Catalysis of Click Reactions in Water

Environmentally friendly metal–organic frameworks (MOFs) have gained considerable attention for their potential use as heterogeneous catalysts. Herein, two Cu^I-based MOFs, namely, [Cu₄Cl₄L] ⋅ CH₃OH ⋅ 1.5 H₂O ( 1-Cl ) and [Cu₄Br₄L] ⋅ DMF ⋅ 0.5 H₂O ( 1-Br ), were assembled with new functionalized thiacalix[4]arenes (L) and halogen anions X⁻ (X=Cl and Br) under solvothermal conditions. Remarkably, catalysts 1-Cl and 1-Br exhibit great stability in aqueous solutions over a wide pH range. Significantly, MOFs 1-Cl and 1-Br , as recycled heterogeneous catalysts, are capable of highly efficient catalysis for click reactions in water. The MOF structures, especially the exposed active Cu^I sites and 1D channels, play a key role in the improved catalytic activities. In particular, their catalytic activities in water are greatly superior to those in organic solvents or even in mixed solvents. This work proposes an attractive route for the design and self-assembly of environmentally friendly MOFs with high catalytic activity and reusability in water.