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上海交通大学胡志刚和新加坡国立大学赵丹团队:调制水热化学——多孔MOF材料的结构、维度设计和绿色合成

已有 419 次阅读 2023-3-17 09:46 |个人分类:AMR Account|系统分类:论文交流

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2022年10月27日,上海交通大学胡志刚教授和新加坡国立大学赵丹教授团队的AMR述评文章“Modulated Hydrothermal Chemistry of Metal–Organic Frameworks”在线发表。文章系统地总结了调制水热化学在水稳定锆基和铪基MOF材料的维度设计和绿色合成方面的研究,以及在MOF材料批量化合成的进展,并展望了其在钛、锆、铪和铈基MOF材料的精确合成、多级孔MOF材料的构建和二维MOF纳米片材料的合成应用。

关键词:调制水热化学,金属有机框架,绿色合成,吸附分离,酸催化


01、文章内容简介

MOF(Metal-Organic Frameworks,也称金属有机框架)材料的绿色和规模化合成对降低MOF的成本和环境负担至关重要。传统溶剂热合成方法存在需要高温、高压、有机溶剂需求和难规模化合成的问题,而传统水热合成方法存在需要高温、高压和批次质量难控制的问题。针对稳定锆和铪基MOF材料合成困难、条件苛刻和结晶性差、重复性差等问题,我们基于水相金属簇-配体交换的合成策略,提出了调制水热(Modulated Hydrothermal Chemistry, MHT)化学概念,开发了绿色(无有机溶剂)、温和(低温、常压)以及可批量化合成的调制水热(MHT)合成方法,并解析了调制剂、溶液酸性和MOF合成最优条件的定量关系,解决了水稳定MOF材料的温和、无有机溶剂和高质量合成问题。其具备以下合成优势:(1)反应条件为低温、常压,一般为异相反应,有利于抑制副反应和过度反应;(2)水作为绿色溶剂,有利于MOF后活化过程控制和产物分离提纯,实现批次生产质量均一;(3)使用调制剂,便于控制反应动力学,调控MOF产物的晶型、形貌和缺陷等。

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该MHT合成工作的主要特点在于:(1)通过引入功能调制剂和使用玻璃反应器、水相反应条件,可合成经典的高热/水稳定锆和铪基MOF材料,例如UiO-66、MOF-808类型(Inorg. Chem.201554, 4862-4868;ACS Sustain. Chem. Eng.20208, 17042-17053);(2)利用金属簇-配体反应是异相反应,平面配体受限于界面反应和晶体生长过程,可合成传统均相反应无法合成的二维NUS-8纳米片材料,具备优异的路易斯酸特性(J. Mater. Chem. A20175, 8954-8963);(3)通过控制调制剂酸性和浓度,控制MOF材料的构型、缺陷和形貌,可合成多级孔高质子酸的NUS-6材料,具备优异的布朗斯特酸特性和压铁电效应(Chem. Mater.201628, 2659-2667);(4)通过控制MOF的合成条件,可合成具备超微孔(3.6 Å)的NUS-36材料,具备优异的气体筛分性能(ACS Sustain. Chem. Eng.20197, 7118-7126)。通过该MHT方法合成的MOF材料,具有高比表面积、高气体吸附能力和酸催化性能,为含钛、锆、铪、铈、铝、铬、钒等水稳定MOF材料的规模化合成及其气体吸附分离工程应用奠定了坚实基础。


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02、AMR:请问您选择该领域的初心是什么?

作者团队:

MOF材料已经发展了三十多年,目前报道的MOF结构超过一万种,真正稳定且有应用前景的MOF类型不超过5%。传统的合成方法建立在小批量高温高压反应条件下,无法有效、高质量的将MOF批量化或大规模化放大合成出来,而开发新型的、绿色温和条件下的合成方法对MOF材料的高质量合成和工业化应用至关重要。因此,我们当初选择了从水稳定锆和铪基MOF材料出发,研究和开发MOF材料的绿色、批量化合成原理和技术。

03、AMR:请问您有什么科研心得想分享给读者们?

作者团队:

最重要的心得就是坚持和学会反思,并脚踏实地的解决真问题。从2013年起,我们就开始尝试开发新型的水相合成MOF材料的方法,到2014年成功实现经典的锆基UiO-66材料的合成,于2015年发表了第一篇关于调制水热(MHT)化学合成MOF材料的文章,之后又陆陆续续的发表了NUS-6、NUS-8、NUS-36等新MOF结构的文章。到今年已经十年了,调制水热(MHT)化学初步形成了一个体系,并仍将在MOF合成领域发挥重要作用。

04、AMR:请问您对该领域的发展有何种愿景?

作者团队:

MOF材料的高质量、规模化和可重复生产仍然是一个领域内重要的研究前沿,也是MOF材料能否工业化的一个前提条件。世界上已有许多大学衍生初创企业,例如NuMat Technologies (Chicago)、MOFapps (Oslo)、Mosaic Materials (Berkeley)、NovoMOF (Zofingen)、MOF Technologies (Belfast)和Immaterial Laboratories Ltd. (Cambridge),他们都在研究如何高质量的生产MOF材料,并为客户提供高质量的应用解决方案,尤其是在气体储存和分离领域。目前也有一些MOF材料已经商业化生产,例如HKUST-1 (Basolite C300)、MOF-177 (Basolite Z377)、MIL-53(Al) (Basolite A100)、ZIF-8 (Basolite Z1200)和Fe-BTC (Basolite F300)。因此,未来将诞生越来越多的MOF材料宏量化、高质量生产方法和技术。


通讯作者简介


胡志刚:上海交通大学材料科学与工程学院,副教授、博士生导师。2009年本科毕业于武汉理工大学高分子材料与工程系,2012年取得浙江大学高分子科学与工程系硕士学位,2016年获得新加坡国立大学化学与生物分子工程系哲学博士学位。曾任剑桥大学博士后研究员和布鲁奈尔大学助理教授,于2021年加入上海交通大学材料科学与工程学院,从事多孔框架材料的合成、氢吸附存储、CO2捕集与利用、氨-氢能源转化等新能源材料研究。在Chemical Society ReviewsAIChE JournalChemical Engineering Science等国际期刊发表逾55篇论文,总引用5000余次。目前担任中国化学会、中国化工学会、中国材料研究学会会员,Frontiers in Chemical Engineering副主编和Materials Today Sustainability青年编委。


赵丹:新加坡国立大学化学与生物分子工程系,院长讲席副教授。2003年本科毕业于浙江大学高分子科学与工程系,2006年取得浙江大学高分子科学与工程系硕士学位,2010年取得德克萨斯A&M大学博士学位。于2012年加入新加坡国立大学化学与生物分子工程系,研究方向主要是用于清洁能源和环境可持续的先进多孔材料和复合膜。在ScienceNature CommunicationsJournal of the American Chemical Society等国际期刊发表逾160篇论文,总引用18000余次,2019和2020年科睿唯安高被引科学家。担任Industrial & Engineering Chemistry Research副主编、AggregateInorganic Chemistry等期刊编委。


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Modulated Hydrothermal Chemistry of Metal–Organic Frameworks

Zhigang Hu*Yuxiang Wang, and Dan Zhao*


原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.2c00104

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