金属-有机框架的发展和应用

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1、金属-有机框架的发展和应用摘要：近年来，由于金属-有机框架(MOFs)材料特殊的结构使得其在气体储存、催化活性、离子交换、磁性材料、分子和光学性能等方面的潜在用途，MOFs的设计与合成吸引了大家的注意力。当前，已有很多用于制备多种金属-有机框架(MOFs)的方法和相关理论。本文主要介绍了MOFs的研究进展、应用，概述了MOFs未来的趋势。关键词：金属-有机框架，发展，应用Abstract:Inrecentyears,thedesignandsynthesisofMetal-OrganicFrameworks(MOFs)haveattractedgreatinterestdue

2、theirpotentialuseasgasstorage,catalysisactivity,ionexchange,magnetism,molecular,andopticalproperties.Currently,variedmethodsandtheorieshavebeenusedfortheformationofmetal-organicframeworks(MOFs).ThispapermainlyintroducesthedevelopmentandapplicationofMOFs,andthefuturetendency.Keyword:Metal-Or

3、ganicFrameworks;Development;Application1绪论金属-有机框架材料(MetalOrganicFrameworks，MOFs)又叫金属有机配位聚合物(MetalOrganicCoordinationPolymers，MOCPs)已经成为一种新型的功能化晶体材料。它是由有机桥连配体同过配位键的方式将无机金属中心(金属离子或者金属离子簇)连接起来形成无限延伸的网络状结构的晶体材料。金属-有机框架材料将无机化学和有机化学两种通常视为两种完全不同的化学学科巧妙地结合在一起。根据金属-有机框架材料在空间维度延伸情况将金属有机框架材料分为一维链，二维层，

4、三维空间网络状结构。金属-有机框架材料的最大特点就是它是一种晶体材料具有超高的孔隙率(高达90％的自由体积)和巨大的内比表面积(超出6000平方米/克)。而且由于无机和有机不同成分组成的结构使得其结构多样并可调节，这些最终促使金属有机框架材料在许多方面有着潜在应用[1]。2金属有机框架化合物的研究进展金属-有机框架(Metal-OrganicFrameworks，MOFs)化合物，又称金属-有机络合聚合物(metal-organiccoordinationpolymers,MOCPs)，早在20世纪90年代中期，第一类MOFs就被合成出来，但其孔隙率和化学稳定性并不高。[2]

5、后来，MOFs开始发展，自从1978年始至2006年的剑桥结构数据库(CambridgeStructuralDatabase，简称CSD)报道的关于金属-有机框架材料的数量变化如图2-1所示。图2-1关于金属-有机框架材料的报道数量变化据统计，自1998年始十年内每年关于MOFs的论文发表数量的增长也是十分迅速（如图2-2）。图2-2关于MOFs的论文发表数量O.M.Yaghi研究小组在1995年首次提出了“金属有机骨架”的概念[3]，随之一种关于Zn(Ⅱ)与刚性的有机配体对苯二甲酸键合形成三维立体孔道的金属有机骨架材料又被报道。[4]这种材料的热稳定性良好，可以达到300℃

6、，并且在除去客体分子之后其骨架仍保持稳定，晶型也未发生变化。紧接着以MOF-n命名的金属有机骨架材料系列陆续由O.M.Yaghi研究小组合成出来，以MOF-5为原型，Yaghi研究小组合成了IRMOF(IsoreticularMetal-OrganicFramework)系列（图2-3）。[5]在相同的合成参数下，通过改变配体苯环上的取代基和二羧酸配体的长度，实现了在相同拓扑结构（与MOF-5相同）的情况下，IRMOF官能化和尺寸变化，它们的孔径约为3.8Å-28.8Å，其中，IRMOF-8、-10、-12、-14、-16的孔径尺寸都超过了20Å，这些IRMOF是当时已报导的

7、晶体材料中密度最低的，并且跟MOF-5一样具有良好的稳定性，在去除客体分子后，可以得到开放性结构的骨架。后来不断拓展配体，从一个苯环到多个苯环，使配体的长度不断增加，进而增大了其孔容。2004年报道的MOF-177[6]就是由大配体均苯三甲酸(BTB)与Zn4O连接得到的，其比表面高达4500m2·g-1，其超大的孔径使其可以吸附多芳烃的有机分子，甚至还可以吸附C60分子和染料分子。[7]配体继续得到延伸，2010年就合成出了MOF-180和MOF-210等一系列具有清晰孔道的三维晶体结构（图2-4），