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JACS:金属有机骨架化合物(MOFs)“变形记”——从液体到固体再到泡沫的转变

发布时间:2016-09-08 14:56:19   浏览次数:1900次

  【引语】

  2016年8月11日,北京理工大学化学学院的王博教授(通讯作者)在期刊JACS上发表了题为“Shaping of metal-organic frameworks: from fluid to shaped bodies and robust foams”的学术论文,报导了关于金属有机骨架化合物(MOFs)泡沫制备以及其性能的介绍。

  【成果简介】

  金属有机骨架化合物(MOFs)因其内部脆性较大、可加工性能较差,所以应用常常受到限制。不像有机高分子,MOF晶体不能溶解在任何溶剂中,大部分MOF都是热固性材料,这意味着传统的溶剂和以溶解为基础的加工技术不能适用于MOFs。

  然而,科学家们发现连续相转变加工方法可以把MOFs加工为可加工流体、有形固体甚至是在这些相中可以发生可逆改变的MOF泡沫。基于这种方法,研究者们研制出了杯状的Cu-MOF复合材料和分层多孔MOF泡沫,从而实现高效C-H键氧化催化。

  通过这种方法可以得到各种低密度(<0.1 gcm-3)、高负载(80 wt%)的MOF泡沫。由于具有分层多孔结构,这些MOF泡沫呈现出低能量损耗的特点,具有优异的机械性能和C-H键氧化催化性能,很有潜力应用于薄膜反应器中。

  【图文导读】

  图1:MOF@Fe3O4的制备过程和相转变应用图解以及用这种方法研制的其他泡沫成品

 

  (a)为HKUST-1@Fe3O4-MF的制备过程图解和该磁性液体的一些应用。图中上半部分是MOF@Fe3O4的制备过程,图中红色小球代表羧基-COOH,绿色小球代表Cu2+离子,紫色小球代表MOF@Fe3O4。

  (b)为用这种方法制造出的其他泡沫成品示意图。

  [注:BTC:均苯三甲酸。 CMC:Carboxymethyl Cellulose,即羧甲基纤维素,别称E466。]

  图2:HKUST-1@Fe3O4-MF具有优异性能的样品实验以及C-H氧化催化反应器的图解和催化性能分析

 

  (a):HKUST-1@Fe3O4-MF的反相转变图示。在磁性液体中加入CH3CN变为郁金香形状的固体,继而加水后恢复液体形状,再加入CH3CN放入五角星模具又变为另一形状的固体;

  (b):HKUST-1@Fe3O4-gel优异可恢复性能实验展示。四片HKUST-1@Fe3O4-gel用磁铁可以在5分钟后又恢复在一起;

  (c):通过溶剂引发方法制备的杯状反应器; (d):杯状反应器内表面的SEM图像;

  (e):C-H键氧化催化反应器的图像展示; (f):杯状反应器的催化性能。

  图3:HKUST-1@Fe3O4泡沫的各种机械性能实验、和HKUST-1片动力催化性能的比较以及泡沫的可回收性能柱状图

  (a):HKUST-1@Fe3O4泡沫的抗压实验;

  (b):HKUST-1@Fe3O4泡沫被用刀切成薄片,小插图展示了小薄片的抗弯性能;

  (c):胶带实验之后胶带的表面图示;

  (d):HKUST-1@Fe3O4泡沫的机械稳定性实验;

  (e):HKUST-1@Fe3O4泡沫和HKUST-1片动力催化性能的比较,横坐标为时间,纵坐标为转化率;

  (f):HKUST-1@Fe3O4泡沫的再生性能。

  图4:六种金属有机骨架化合物的原子簇、有机链、拓扑结构、泡沫样品以及样品的扫描电镜图片

  (a)~(f)分别表示HKUST-1@CMC、ZIF-8@CMC、Mg-MOF-74、Zn-MOF-74、UIO-66、NH2-UIO-66六种泡沫;

  图(ⅰ)表示六种泡沫的金属原子簇;图(ⅱ)表示六种泡沫的有机链;

  图(ⅲ)表示六种泡沫的拓扑结构; 图(ⅳ)为六种泡沫的样品;

  图(ⅴ)和图(ⅵ)为六种泡沫样品的扫描电镜图像,图(ⅴ)中为100m比例尺,图(ⅵ)中为10m比例尺。

  【总结】

  本文中,研究者们通过HKUST-1@Fe3O4纳米颗粒和CMC混合得到磁性液体,继而转变为胶体、固体甚至是泡沫,用这种方法制成的MOF泡沫具有优异的机械性能和C-H键氧化催化性能以及优异的可再生性能,在可恢复材料领域和薄膜反应器的应用极具潜力。

  文献链接:Shaping of metal-organic frameworks: from fluid to shaped bodies and robust foams (J. Am. Chem. Soc. ,2016,DOI: 10.1021/jacs.6b06959)

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