MOFs膜的合成及應(yīng)用研究

郭月（大連理工大學(xué)化工1402班，遼寧 大連 116024）

MOFs膜的合成及應(yīng)用研究

郭月（大連理工大學(xué)化工1402班，遼寧 大連 116024）

自1989年Robson等人首先用金屬和有機(jī)配體通過(guò)配位鍵構(gòu)成骨架材料以來(lái)，金屬-有機(jī)框架化合物（metalor?ganicframeworks,MOFs）在近幾十年年的發(fā)展尤為迅速，其在氣體或液體分離、催化、光電磁學(xué)性質(zhì)研究等方面都有著重要意義[1]。本文歸納總結(jié)了近十幾年來(lái)MOFS膜的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)。

MOFS膜；分離；催化；磁學(xué)；氣體吸附

1 意義

金屬-有機(jī)框架化合物（metalorganicframeworks,MOFs）是一種結(jié)晶化的多孔材料，由過(guò)渡金屬中心與多齒有機(jī)配體分子連接而成，通常具有比表面積大，孔徑分布均勻，結(jié)構(gòu)可調(diào)等良好特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于氣體吸附、分離與催化研究中。MOFs一般由金屬離子（金屬簇）或者有機(jī)配體組成，他們各不相同，可以展現(xiàn)出形式各異的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。我們將MOFs制成的膜稱為MOFs膜，由于MOFs自身具有很多的優(yōu)點(diǎn)：孔徑的大小可調(diào)，比表面都非常高，使得MOFs膜在催化、光電磁學(xué)、氣體吸附和分離等方面都有實(shí)際的意義和較好的發(fā)展前景。[1]

2 研究現(xiàn)狀

2.1 MOFs在分離方面的研究現(xiàn)狀

MOFs膜用來(lái)分離氣體或液體具有良好的優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)的分離技術(shù)如：過(guò)濾，蒸餾，重結(jié)晶等相比，膜分離快捷簡(jiǎn)便具有高效率、低能耗等優(yōu)點(diǎn)。MOFs由于具有可設(shè)計(jì)的、大小可調(diào)的孔道，使其在膜分離方面成為不二之選。大連化物所楊維慎小組的研究人員基于該特性和材料的表面超疏水性，制備出可以富集異丙醇的納米復(fù)合膜。[2]中國(guó)石油大學(xué)天冬氨酸配體和吡嗪配體與過(guò)渡金屬鎳離子結(jié)合，成功分離了油水混合物，對(duì)于環(huán)境污染與治理有著重要作用。[3]

2.2 MOFs在催化方面的研究現(xiàn)狀

近四五年來(lái)，一些MOFs負(fù)載的多金屬氧酸鹽的合成和催化等應(yīng)用研究開(kāi)始見(jiàn)于報(bào)道。東北師范大學(xué)王恩波課題組報(bào)道了手性脯氨酸作配體與Keggin型多陰離子構(gòu)筑的具螺旋孔道的MOFs結(jié)構(gòu)。我們不難發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，MOFs具有特定的結(jié)構(gòu),在催化過(guò)程中對(duì)特定的反應(yīng)顯示出高選擇性。把MOFS應(yīng)用于催化研究將是一大亮點(diǎn)。

2.3 MOFs在磁學(xué)方面的研究現(xiàn)狀

在MOFS合成的初期階段，可能是為了使晶體生長(zhǎng)性更好、配合物更加規(guī)則，MOFS的設(shè)計(jì)主要引入含有d10結(jié)構(gòu)的金屬離子。后來(lái)，隨著對(duì)MOFS的不斷探索、發(fā)展，一些其他的金屬離子特別是過(guò)渡金屬離子開(kāi)始大規(guī)模MOFs的構(gòu)成中。因?yàn)閂III族金屬離子具有較好的磁性,由此將MOFs引入磁學(xué)領(lǐng)域變得順理成章。鐵、鎳、鈷在具有良好的磁性并且在生活中較為常見(jiàn),現(xiàn)代化學(xué)對(duì)其配位軌道研究十分透徹，將其引入MOFs的合成中可以形成較為穩(wěn)定的配合物。因此利用鐵、鎳、鈷等離子合成帶有磁性的MOFs變得較為簡(jiǎn)便,對(duì)于研究材料的磁性性質(zhì)具有重要的意義,由此可將具有不同磁性的材料用于所需的不同方面。目前,在MOFS磁學(xué)方面的研究中,中山大學(xué)的陳小明教授和日本的Kitagawa兩個(gè)實(shí)驗(yàn)小組的工作較為顯著。他們主要采用了羧酸類(lèi)和咪唑類(lèi)等配體構(gòu)筑不同的MOFs,并研究這些化合物的結(jié)構(gòu),及磁性與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。不同的MOFs有可能由于結(jié)構(gòu)的差別而導(dǎo)致材料的磁化率相差很大。

2.4 MOFs在氣體吸附方面的研究現(xiàn)狀

金屬有機(jī)骨架化合物(MOFs)中的孔道各異，可以吸附氣體分子并且其中的有機(jī)配體與氣體分子之間還存在著范德華力的作用，使得與氣體之間的結(jié)合更強(qiáng)。由于對(duì)氫氣等燃料能源的儲(chǔ)備需求,MOFs的早期研究都集中在氣體儲(chǔ)備方面。其中較為著名的就是Yaghi教授的課題組，他們?cè)?999年發(fā)布了具有儲(chǔ)氫功能、由有機(jī)酸和鋅離子合成的MOF-5。他們的研究表明，具有不同孔道大小的MOFs對(duì)氣體的吸附能力不同。但此時(shí)的MOFs對(duì)氫氣的吸附能力較低。此后,為進(jìn)一步提升MOF-5的儲(chǔ)氫性能,MOFs的研究者們主要通過(guò)改變MOF-5的有機(jī)聯(lián)結(jié)體或?qū)OF-5的有機(jī)聯(lián)結(jié)體和中心金屬離子一起改變來(lái)合成具有相似功能的MOFs類(lèi)材料IRMOFs和MMOMs,從而大大提升了MOFs類(lèi)儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫性能。

3 存在問(wèn)題

從已出版的文章來(lái)看，MOFs的合成方法有限，絕大多數(shù)還是通過(guò)溶劑熱法來(lái)合成。如將芳香羧酸,如,對(duì)苯二甲酸,吡啶二羧酸或咪唑,三氮唑等橋聯(lián)配體和過(guò)渡金屬離子如鎳，銅等配位體進(jìn)行合成。反應(yīng)條件如溫度、濃度PH的微變都有可能造成合成失敗。因此，筆者認(rèn)為目前對(duì)于MOFs的制備方法還有待進(jìn)一步探究。

4 發(fā)展趨勢(shì)

綜合來(lái)看，目前MOFs的發(fā)展與研究豐富多樣、熱度不減并逐漸與其他領(lǐng)域相結(jié)合。MOFs的相關(guān)研究是伴隨著對(duì)清潔能源的使用和氣體的吸附而形成的對(duì)具有吸附性能的多孔道材料的迫切需求而進(jìn)入快速發(fā)展階段的。在MOFs材料研究初期,研究的重點(diǎn)主要集中在氣體吸附和對(duì)分子的自組裝過(guò)程的研究;隨著對(duì)MOFs研究的深入,研究的重點(diǎn)逐漸由氣體吸附擴(kuò)展到磁學(xué)、光學(xué)、分離科學(xué)、催化及藥物傳送等化學(xué)研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。

[1]逯春晶.金屬有機(jī)骨架膜的合成及應(yīng)用[D].吉林大學(xué),2014.

[2]大連化物所金屬有機(jī)骨架分離膜研究取得突破[J].功能材料信息.2011(04):60-61.

[3]王灑灑，袁雪，康子曦，等.金屬有機(jī)框架物制備及其油水分離性能的研究[Z].中國(guó)遼寧大連:20161.