金属-有机骨架材料用于废水处理

废水中的各种有害物质常常具有生物毒性或致癌性,因此如何高效、节能地处理水体污染是一个亟待解决的重要问题。金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks, MOFs)是一种新型纳米多孔材料,具有种类多样性、结构可设计性与可调控性、高比表面积及良好的热稳定性等优点,已成为当前化学、材料学科的一个研究热点, 在多个领域显示出潜在的应用前景,尤其是在分离方面。与气相分离相比,MOFs用于液相分离的研究较少。本文综述了近年来MOFs用于含有染料、药物、醇、芳香族化合物、重金属离子及其他离子的废水处理的研究进展,重点剖析了MOFs的孔结构、骨架电荷及功能性对分离效果的影响,并结合本课题组的研究工作,对这种新型多功能材料在水处理方面的前景和今后的研究重点作了展望。     

镧系金属有机骨架比例荧光检测萘普生

该文构筑了双荧光发射的比例型荧光传感器,并将其用于萘普生检测。以Eu3+为金属节点,1,3,5-苯三甲酸为配体,通过超声法合成了比例型荧光传感材料Eu-MOF。探究了Eu-MOF的形貌特征、光学性质及对萘普生的检测机理。单一激发光照射下,Eu-MOF呈现源于配体和Eu3+的双荧光发射峰。萘普生的荧光发射峰与Eu-MOF在375 nm处的荧光发射峰重合,且两者之间具有内滤光效应。因此,随着萘普生的逐渐加入,Eu-MOF在375 nm处的荧光发射峰强度逐渐增强,而623 nm处则逐渐减弱,从而可实现对萘普生的比例荧光检测。Eu-MOF检测萘普生的线性范围为0.07~2.3μmol/L,检出限为0.039μmol/L。Eu-MOF在萘普生的检测中表现出良好的选择性和抗干扰能力,是实际样品中萘普生检测的优势材料。     

机械化学法制备金属-有机骨架及其复合物研究进展

金属-有机骨架(MOFs)是由金属离子/簇和多齿状有机配体通过配位键桥联而形成的多孔晶态材料。MOFs材料具有孔隙率高、比表面积大、尺寸可调、结构易修饰、功能多样化等特点,使其在气体吸附、分离和催化等方面都具有潜在应用价值。到目前为止,在MOFs合成的几种常见方法中,机械化学法(即在无溶剂或极少量溶剂的情况下研磨固体反应物进行的反应)作为一种清洁、绿色、高效的合成手段逐渐引起人们的关注。本综述总结了近年来机械化学合成MOFs及其复合物的典型进展,目的是为机械化学法合成MOFs及其复合材料提供一个通用而易于理解的概述。目前的研究进展表明,机械化学法是一种实用且环境友好的合成方法,为低成本、宏量生产MOFs及其复合物提供了可能。     

一系列基于混合配体策略构筑的金属有机骨架的合成、结构及性质

通过简单高效的醛酮缩合反应,合成了碱性配体2,6-二（4-吡啶基亚甲基）环己酮（BPCH）,采用3种芳香羧酸配体：对苯二甲酸（H₂TP）、间苯二甲酸（H₂IP）和均苯三甲酸（H₃TMA）,以混合配体策略制备了7例金属有机骨架（MOFs）。用单晶X射线衍射、红外光谱、粉末X射线衍射和热重分析对其进行表征并分析其拓扑结构。MOFs1、2、3均呈现为多样的三维结构,MOFs4~7表现为同构的二维结构。荧光测试结果显示该类化合物对Fe³⁺有较好的荧光猝灭效应,同时对于染料具有一定的吸附能力。     

Unveiling the Unique Roles of Metal Coordination and Modulator in the Polymorphism Control of Metal-Organic Frameworks

Polymorphism control of metal-organic frameworks is highly desired for elucidating structure-property relationships, but remains an empirical process and is usually done in a trial-and-error approach. We adopted the rarely used actinide cation Th⁴⁺ and a ditopic linker to construct a series of thorium-organic frameworks (TOFs) with a range of polymorphs. The extraordinary coordination versatility of Th⁴⁺ cations and clusters, coupled with synthetic modulation, gives five distinct phases, wherein the highest degree of interpenetration (threefold) and porosity (75.9 %) of TOFs have been achieved. Notably, the O atom on the capping site of the nine-coordinated Th⁴⁺ cation can function as a bridging unit to interconnect neighboring secondary building units (SBUs), affording topologies that are undocumented for other tetravalent-metal-containing MOFs. Furthermore, for the first time HCOOH has been demonstrated as a bridging unit of SBUs to further induce structural complexity. The resulting TOFs exhibit considerably different adsorption behaviors toward organic dyes, thus suggesting that TOFs represent an exceptional and promising platform for structure-property relationship study.     

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。     

2,2′-二甲基-4,4′-联苯二甲酸构筑的两个金属有机骨架

以2,2′-二甲基-4,4′-联苯二甲酸(H2L)为配体,采用溶剂热法合成了2个金属有机骨架:[Ni(μ₂-H₂O)(L)(DMF)(H₂O)]·0.5H₂O(1)和[Cd_2.5(L)(trz)₃(H₂O)₂]·2.5DMF(2)(DMF=N,N-二甲基甲酰胺,Htrz=1,2,4-三氮唑)。借助红外、热重、粉末和单晶X射线衍射对其进行了表征。单晶结构分析表明,1结晶于单斜晶系的P2₁/c空间群,镍离子处在拉长的[NiO₆]八面体中且分别被μ₂-H₂O和L^2-配体连接形成二维sql拓扑网络。2结晶于单斜晶系,C2/m空间群,含有3个不同的镉离子且均为扭曲的八面体构型。3个镉离子被三氮唑负离子以μ_1,2,4-桥连,在ab平面形成二维的kgd层,这些层再被L^2-配体沿c轴支撑形成(4,8)双节点的三维flu拓扑网络。热重分析表明,1和2的网络分别在390和230℃发生分解。     

金属-有机骨架及其功能材料在食品和水有害物质预处理中的应用

食品安全问题是关系人民生命健康和经济社会和谐发展的重大问题。食品类样品残存的痕量有毒有害物质对人体健康产生潜在危害。因此,需要高效的吸附材料用于食品类样品预处理及检测。金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks, MOFs) 是一类新型的多孔功能材料,具有高孔隙度、高比表面积、结构可设计与调控、孔径可调及良好的化学和热稳定性等优点。MOFs的早期研究主要集中在结构及功能化设计方面,近年来MOFs及其功能材料在各领域的潜在应用逐渐成为新的研究热点。MOFs具有高度发达的孔隙结构,易通过功能化改变材料表面性质,不同的金属元素和配体种类,以及配位方式的多样化特性,极大地丰富固相萃取的固定相材料种类。尤其是在复杂基质样品预处理中,MOFs及其功能材料表现出强富集能力、强抗基质干扰能力、优异的选择性以及环境友好等优势。本文综述了近几年MOFs及其功能材料在食品和水样品中有害物质预处理方面的研究进展,并对这类材料应用在食品安全分析方面的发展进行了展望。     

用环糊精的金属有机框架材料作为模板制备多孔有机笼

迄今为止, 还未有报道过由金属有机框架材料(MOFs)转化成共价有机笼(COF-Cages)的文章. 通过交联环糊精MOF骨架中的羟基, 并除去其中的钾离子, 构建了由环糊精MOF转化形成的结晶性多孔有机笼. 首先合成CD-MOF, 再将CD-MOF中的羟基交联, 得到Cross-linked γ-环糊精MOF (CL-CD-MOF), 最后除去钾离子得到Z-cage, 并且应用热重分析(TGA)、红外光谱(IR)、固体核磁共振(CP/MAS/NMR)光谱等多种分析手段对其结构进行表征. 结果表明, 该方法得到的有机笼(Z-cage)具有特定的方钠石型晶体结构, 并且比表面积达862 m²·g^-1. 作为对照实验, 在水热条件下, 将γ-CD和对苯二硼酸按照1:4化学计量比合成的CL-polymer与Z-cage具有不同的晶体结构, 并通过X-射线粉末衍射(PXRD)进行了证明, 反映了MOF模板合成法在控制材料的晶体结构的优越性. 这种从结晶性无机-有机杂化MOF到结晶性有机笼Z-cage的转变, 提供了多孔晶体材料之间晶体到晶体转变的途径.     

Selective Separation of Isomeric Dicarboxylic Acid by the Preferable Crystallization of Metal‐Organic Frameworks

Simple and effective separation of isomeric organic molecules is an important but challenging task. Herein, we successfully developed a selective crystallization strategy to separate the mixtures of isomeric dicarboxylic acids (DCAs) for the first time. The target DCAs could be preferably combined with crystallization inducer of Zr⁴⁺ ions to form a pre‐designed metal‐organic frameworks (MOFs) crystal structure whereas the entry of non‐target isomeric DACs into the MOFs lattice could be exclusively inhibited. Several isomeric pairs were exemplified to verify the extensibility and validity of the developed strategy.     

三角柔性多羧酸金属有机骨架化合物的合成、结构及荧光性质

以柔性1,3,5-三（4-羧酸苯氧基）苯（H₃TCPB）为配体,以4,4''-联吡啶（4,4''-BPY）为辅助配体,在溶剂热条件下合成了2个新颖的分别具有三核锌簇和三核钴簇的金属有机骨架化合物：{[Zn₃（TCPB）₂（4,4''-BPY）]·DMF·3H₂O}_n（1）和{[Co_1.5（TCPB）（DMF）（H₂O）]·DMF}_n（2）,通过单晶X射线衍射,红外光谱,元素分析,热重分析和粉末X射线衍射对其结构进行了表征。单晶X射线衍射分析表明化合物1属于三斜晶系,P1空间群,表现出三维（3,8）连接的网状结构,拓扑符号为：{4³}₂·{4⁶·6¹⁸·8⁴}·{6};化合物2也属于三斜晶系,P1空间群,为二维（3,6）连接的网络层状结构,拓扑符号为：{4³}₄·{4⁶·6¹⁸·8⁴}。此外,荧光性质研究表明固态化合物¹在室温条件下发射出源于TCPB^3-和4,4''-BPY配体的淡蓝色荧光,而化合物2在相似的条件下没有荧光发射。     

1,3-二(4-咪唑基)苯构筑的两个金属-有机框架化合物:合成、晶体结构和荧光性质（英文）

利用1,3-二(4-咪唑基)苯(L)和过渡金属盐反应,通过水热法方法合成了2个新颖的金属有机框架化合物:[Cd(L)(SO4)]n(1)和{[Ni(L)(SO4)]·H2O}n(2)。利用元素分析、红外、粉末衍射、热重分析等对MOFs进行了表征。通过X射线单晶衍射表明:1属于正交晶系,Pnma空间群,a=0.70728(5)nm,b=1.34381(9)nm,c=1.40731(9)nm,V=1.33758(16)nm^3,Dc=2.079 g·cm^-3,Z=4,F(000)=824,GOF=1.072,R1=0.0190,wR2=0.0506。2属于三斜晶系,P1空间群,a=0.98665(18)nm,b=1.1457(2)nm,c=1.3025(2)nm,α=65.029(3)°,β=83.497(3)°,γ=86.423(4)°,V=1.3260(4)nm^3,Dc=1.441 g·cm^-3,Z=2,F(000)=592,GOF=1.016,R1=0.0434,wR2=0.0771。2个MOFs均为二维的层状结构。此外,对MOFs的热稳定性和荧光性质也进行了研究。     

通过有机配体中四嗪基团的原位水解提高金属有机框架的CO2吸附性能

在保持原有"层-柱"MOF[Zn₄（bpta）₂（dipytz）₂（H₂O）₂]·4DMF·H₂O （1）（H₄bpta=2,2'',6,6''-联苯四羧酸,dipytz=3,6-二（4-吡啶基）-1,2,4,5-四嗪）主体结构不变的情况下,通过dipytz配体中四嗪环的原位水解反应将极性的二芳酰基联氨基团引入框架,成功构筑出配合物[Zn₄（bpta）₂（dipytz_hydr）₂（H₂O）₂]·solvent （2）（dipytz_hydr=1,2-二异烟酰基肼）。对配合物2的系统表征和气体吸附性质研究结果证实了功能化目标的实现：配合物2相比于配合物1展现出更高的二氧化碳吸附热（由28.8 kJ·mol^-1升高至30.3 kJ·mol^-1）和CO₂/CH₄吸附选择性。以上结果表明基于配体中四嗪基团的原位水解后修饰能够有效提高相关MOFs材料的CO₂吸附性能。     

通过有机配体中四嗪基团的原位水解提高金属有机框架的CO2吸附性能

在保持原有“层-柱”MOF,[Zn₄（bpta）₂（dipytz）₂（H₂O）₂]·4DMF·H₂O （1）（H₄bpta=2,2'',6,6''-联苯四羧酸,dipytz=3,6-二（4-吡啶基）-1,2,4,5-四嗪）主体结构不变的情况下,通过dipytz配体中四嗪环的原位水解反应将极性的二芳酰基联氨基团引入框架,成功构筑出配合物[Zn₄（bpta）₂（dipytzhydr）₂（H₂O）₂]·solvent （2）（dipyt_zhydr=1,2-二异烟酰基肼）。对配合物2的系统表征和气体吸附性质研究结果证实了功能化目标的实现：配合物2相比于配合物1展现出更高的二氧化碳吸附热（由28.8 kJ·mol^-1升高至30.3 kJ·mol^-1）和CO₂/CH₄吸附选择性。以上结果表明基于配体中四嗪基团的原位水解后修饰能够有效提高相关MOFs材料的CO₂吸附性能。     

基于一个四羧酸配体构筑的具有(4,8)-连接的镧系金属有机框架材料及对小分子的检测试验

以3,3’,5,5’-四-(羧基苯基)联苯为配体(H₄L),与镧系金属Ln(Ⅲ)盐反应,自组装形成了5个具有三维孔洞结构的镧系金属-有机框架材料：{[Ln₃L₂(H₂O)₇]·(OH)·10DMA}_n(Ln=Gd(1a);Ln=Ho(2a),{[Ln₃L₂(H₂O)3]·(OH)·mDMA}_n(Ln=Er,m=10(1b);Ln=Yb,m=9(2b);Ln=Lu,m=10(3b))。单晶X射线衍射分析表明,这些MOFs属于2种系列的类质同晶化合物,分别属于正交晶系Ccca空间群和单斜晶系C2/c空间群。有机小分子溶剂交换荧光研究发现,2b对小分子二氯甲烷和甲苯荧光有增强效应,表现出良好的荧光探测功能。     

基于一个四羧酸配体构筑的具有(4,8)-连接的镧系金属-有机框架材料及对小分子的检测试验

以3,3'',5,5''-四-（羧基苯基）联苯为配体（H₄L）,与镧系金属Ln（Ⅲ）盐反应,自组装形成了5个具有三维孔洞结构的镧系金属-有机框架材料：{[Ln₃L₂(H₂O)₇]·(OH)·10DMA}_n(Ln=Gd (1a); Ln=Ho(2a), {[Ln₃L₂(H₂O)₃]·(OH)·mDMA}_n (Ln=Er,m=10(1b); Ln=Yb, m=9(2b); Ln=Lu, m=10(3b))。单晶X射线衍射分析表明,这些MOFs属于2种系列的类质同晶化合物,分别属于正交晶系Ccca空间群和单斜晶系C2/c空间群。有机小分子溶剂交换荧光研究发现,2b对小分子二氯甲烷和甲苯荧光有增强效应,表现出良好的荧光探测功能。