MOFs膜的合成及应用研究

郭月（大连理工大学化工1402班，辽宁 大连 116024）

MOFs膜的合成及应用研究

郭月（大连理工大学化工1402班，辽宁 大连 116024）

自1989年Robson等人首先用金属和有机配体通过配位键构成骨架材料以来，金属-有机框架化合物（metalor⁃ganicframeworks,MOFs）在近几十年年的发展尤为迅速，其在气体或液体分离、催化、光电磁学性质研究等方面都有着重要意义[1]。本文归纳总结了近十几年来MOFS膜的研究现状及其发展趋势。

MOFS膜；分离；催化；磁学；气体吸附

1 意义

金属-有机框架化合物（metalorganicframeworks,MOFs）是一种结晶化的多孔材料，由过渡金属中心与多齿有机配体分子连接而成，通常具有比表面积大，孔径分布均匀，结构可调等良好特点，目前已广泛应用于气体吸附、分离与催化研究中。MOFs一般由金属离子（金属簇）或者有机配体组成，他们各不相同，可以展现出形式各异的拓扑结构。我们将MOFs制成的膜称为MOFs膜，由于MOFs自身具有很多的优点：孔径的大小可调，比表面都非常高，使得MOFs膜在催化、光电磁学、气体吸附和分离等方面都有实际的意义和较好的发展前景。[1]

2 研究现状

2.1 MOFs在分离方面的研究现状

MOFs膜用来分离气体或液体具有良好的优势，与传统的分离技术如：过滤，蒸馏，重结晶等相比，膜分离快捷简便具有高效率、低能耗等优点。MOFs由于具有可设计的、大小可调的孔道，使其在膜分离方面成为不二之选。大连化物所杨维慎小组的研究人员基于该特性和材料的表面超疏水性，制备出可以富集异丙醇的纳米复合膜。[2]中国石油大学天冬氨酸配体和吡嗪配体与过渡金属镍离子结合，成功分离了油水混合物，对于环境污染与治理有着重要作用。[3]

2.2 MOFs在催化方面的研究现状

近四五年来，一些MOFs负载的多金属氧酸盐的合成和催化等应用研究开始见于报道。东北师范大学王恩波课题组报道了手性脯氨酸作配体与Keggin型多阴离子构筑的具螺旋孔道的MOFs结构。我们不难发现发现，MOFs具有特定的结构,在催化过程中对特定的反应显示出高选择性。把MOFS应用于催化研究将是一大亮点。

2.3 MOFs在磁学方面的研究现状

在MOFS合成的初期阶段，可能是为了使晶体生长性更好、配合物更加规则，MOFS的设计主要引入含有d10结构的金属离子。后来，随着对MOFS的不断探索、发展，一些其他的金属离子特别是过渡金属离子开始大规模MOFs的构成中。因为VIII族金属离子具有较好的磁性,由此将MOFs引入磁学领域变得顺理成章。铁、镍、钴在具有良好的磁性并且在生活中较为常见,现代化学对其配位轨道研究十分透彻，将其引入MOFs的合成中可以形成较为稳定的配合物。因此利用铁、镍、钴等离子合成带有磁性的MOFs变得较为简便,对于研究材料的磁性性质具有重要的意义,由此可将具有不同磁性的材料用于所需的不同方面。目前,在MOFS磁学方面的研究中,中山大学的陈小明教授和日本的Kitagawa两个实验小组的工作较为显著。他们主要采用了羧酸类和咪唑类等配体构筑不同的MOFs,并研究这些化合物的结构,及磁性与结构之间的关系。不同的MOFs有可能由于结构的差别而导致材料的磁化率相差很大。

2.4 MOFs在气体吸附方面的研究现状

金属有机骨架化合物(MOFs)中的孔道各异，可以吸附气体分子并且其中的有机配体与气体分子之间还存在着范德华力的作用，使得与气体之间的结合更强。由于对氢气等燃料能源的储备需求,MOFs的早期研究都集中在气体储备方面。其中较为著名的就是Yaghi教授的课题组，他们在1999年发布了具有储氢功能、由有机酸和锌离子合成的MOF-5。他们的研究表明，具有不同孔道大小的MOFs对气体的吸附能力不同。但此时的MOFs对氢气的吸附能力较低。此后,为进一步提升MOF-5的储氢性能,MOFs的研究者们主要通过改变MOF-5的有机联结体或将MOF-5的有机联结体和中心金属离子一起改变来合成具有相似功能的MOFs类材料IRMOFs和MMOMs,从而大大提升了MOFs类储氢材料的储氢性能。

3 存在问题

从已出版的文章来看，MOFs的合成方法有限，绝大多数还是通过溶剂热法来合成。如将芳香羧酸,如,对苯二甲酸,吡啶二羧酸或咪唑,三氮唑等桥联配体和过渡金属离子如镍，铜等配位体进行合成。反应条件如温度、浓度PH的微变都有可能造成合成失败。因此，笔者认为目前对于MOFs的制备方法还有待进一步探究。

4 发展趋势

综合来看，目前MOFs的发展与研究丰富多样、热度不减并逐渐与其他领域相结合。MOFs的相关研究是伴随着对清洁能源的使用和气体的吸附而形成的对具有吸附性能的多孔道材料的迫切需求而进入快速发展阶段的。在MOFs材料研究初期,研究的重点主要集中在气体吸附和对分子的自组装过程的研究;随着对MOFs研究的深入,研究的重点逐渐由气体吸附扩展到磁学、光学、分离科学、催化及药物传送等化学研究热点领域。

[1]逯春晶.金属有机骨架膜的合成及应用[D].吉林大学,2014.

[2]大连化物所金属有机骨架分离膜研究取得突破[J].功能材料信息.2011(04):60-61.

[3]王洒洒，袁雪，康子曦，等.金属有机框架物制备及其油水分离性能的研究[Z].中国辽宁大连:20161.