金属有机骨架材料原理与应用 PPT
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金属有机骨架材料MOFs及其应用ppt课件.ppt
• we choose MIL-101 as the stationary phase and xylene isomers and ethy-lbenzene (EB) as the targets for separation.
Gu, Z. Y. Yan, X. P. Angewandte Chemie-International Edition 49, 1477-1480 (2010)
Hydrogen Storage in Microporous rganic Frameworks
Rosi, N. L. Eckert, J. Eddaoudi, M. O'Keeffe, M.Yaghi, O. M. science 300, 1027-1029 (2003)
MOF-5的储氢性能
实验流程图
吸附性能
富集效果
105ppb
2030ppb
Metal–Organic Framework MIL-101 for HighResolution Gas-Chromatographic Separation of
Xylene Isomers and Ethylbenzene
• We show the first fabrication of the MOFcoated capillary column for high-resolution GC separation.
78K
298K
Rowsell, J. L. C. Spencer, E. C. Eckert, J. Yaghi, O. M. science 309, 1350-1354 (2005)
Metal Organic Frameworks as Adsorbents for Trapping and Preconcentration of Organic Phosphonates
Gu, Z. Y. Yan, X. P. Angewandte Chemie-International Edition 49, 1477-1480 (2010)
Hydrogen Storage in Microporous rganic Frameworks
Rosi, N. L. Eckert, J. Eddaoudi, M. O'Keeffe, M.Yaghi, O. M. science 300, 1027-1029 (2003)
MOF-5的储氢性能
实验流程图
吸附性能
富集效果
105ppb
2030ppb
Metal–Organic Framework MIL-101 for HighResolution Gas-Chromatographic Separation of
Xylene Isomers and Ethylbenzene
• We show the first fabrication of the MOFcoated capillary column for high-resolution GC separation.
78K
298K
Rowsell, J. L. C. Spencer, E. C. Eckert, J. Yaghi, O. M. science 309, 1350-1354 (2005)
Metal Organic Frameworks as Adsorbents for Trapping and Preconcentration of Organic Phosphonates
铁基金属有机骨架材料(Fe-MOFs)简介
9
常见应用
储气
Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 5042–5046
精选可编辑ppt
J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 206–211 10
常见应用
储氢
J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 206–211
精选可编辑ppt
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发展绿色简单MOF材料
展望
16
致谢
感谢老师和各位同学的聆听 欢迎批评指正！
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17
共价键以及电子给体和受体之 强烈的荧光、变色和电化学信号
间的相互作用，与合适的客体
分子结合
Anal. Chem. 2015, 87, 10635−10641
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15
总结与展望
尽可能多的暴露Fe活性位点
表面LAS多，传质能力好
强烈的荧光、变色和电化 学信号
总结
修饰基团，调节框架 结合电极材料，改善电导率
在有机溶剂和水中呈现良好的稳定性
Pearson酸 碱理论
Lewis酸 （Fe(III)） Lewis碱（有机配体）
Fe的优势
Fe自然界丰富的含量、Fe的低毒性 使其在各种MOF材料中脱颖而出。
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4
材料的研究背景
Fe-MOF材料的种类
MIL系列
MOF-n系列
CID系列
PCN系列
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8
主要合成方法
微波辐射加热法（ Microwave Irradition）
原理
电荷分布不均的小分 子迅速吸收电磁波而使其 产生高速转动和碰撞，从 而极性分子随外电场变化 而摆动并产生热效应，使 反应物的温度在短时间内 迅速升高。
磁性金属-有机框架材料的合成及其应用
2011年报道了一组有关铝和铜的 MMOFs 材料在交变磁场 的作用下释放药物的实例
将Fe3O4 磁性颗粒分别均匀分散到DUT-4，DUT-5及 HKUST-1 的 前体溶液中，在异核化作用下，MOFs在磁性颗粒表面生长并将 其包裹，形成MMOFs材料。该MMOFs材料在交变磁场内释放药 物过程中产生发热现象，这一现象可用于医学的热疗。 作者对温度影响Fe3O4@HKUST-1释放布洛芬速率的研究结果显 示，当温度从 20℃升高至40℃时，该MMOFs材料释放药物的速
生物医学应用
MOFs 的高孔隙率有利于其存储和释放药品。MOFs和磁性颗
粒之间的协同作用使 MOFs可携带特定的药物释放在指定位置。
2009年首次报道了将 MOFs应用于生物医学的研究成果。室温
下，将强磁性Fe3O4颗粒加入到Zn(bix)(NO3)2反应混合物中,通过超 声或剧烈搅拌，得到封装有10nm Fe3O4纳米颗粒的MOFs材料。随 后，又将具有潜在抗癌功效的阿霉素，喜树碱和道诺霉素填充到 Zn(bix)(NO3)2中，形成胶囊状磁性MOFs材料。 研究结果表明上述药物可从配位聚合物胶囊内缓慢释放出来。
3. 应用方法简单、快速，操作步骤简化
如在环境检测方面，MOFs富集多介质中目标分析物时不借助 其他手段( 如膜保护、溶胶凝胶等) 时难以回收，而 MMOFs 材料 富集目标分析物后利用外加磁场作用便可以从水相或水土中分离 回收。MMOFs 材料洗脱后可直接进样，避免了繁复的萃取、净化、 洗脱过程，大大节约了分析时间。
4. 重复使用率提高
已使用过的MMOFs材料经过一定处理可再次循环使用，符合现 在提倡的绿色环保理念。
Preparation methods of magnetic metal-organic framework materials
金属有机骨架化合物的合成制备应用简介课件
在合成制备方面，需要进一步探索高效、环保、低成本的合成方法，以 降低MOFs的生产成本，促进其在工业上的广泛应用。
在应用方面，需要深入研究MOFs的构效关系和作用机制，以提高其在不 同领域的应用效果和可靠性。同时，也需要加强MOFs在实际应用中的安 全性和稳定性的研究，以确保其长期有效性和可靠性。
THANKS
水解。
合成困难
合成具有特定结构和性质的金 属有机骨架需要精确的控制条 件和过程。
孔径调控难度大
孔径大小是金属有机骨架的重 要性质，但调控难度较大，难 以实现孔径的精确控制。
应用领域有限
目前金属有机骨架化合物的应 用主要集中在气体储存和分离 领域，其他领域的应用有待进
一步开发。
未来的研究方向与前景
提高稳定性
气体传感和检测
金属有机骨架化合物对特定气体具有高灵敏度， 可以用于气体传感和检测领域。它们能够快速响 应有害气体，为环境监测和安全防护提供有力支持。
在催化领域的应用
酸性催化
某些金属有机骨架化合物具有酸性催化功能，可用于酯 化、烷基化等有机合成反应。这为高效合成复杂有机分子 提供了新的途径。
光催化
结合金属有机骨架化合物的光响应性质，可以实现光催 化反应。这为利用太阳能驱动化学反应提供了新的可能性。
通过改进合成方法和条件，提高金属 有机骨架化合物的稳定性，使其在实 际应用中更可靠。
拓展应用领域
积极探索金属有机骨架化合物在其他 领域的应用，如催化、光电、生物医 学等。
多功能化
通过设计具有多功能性的金属有机骨 架化合物，实现在单一材料中同时实 现多种功能。
绿色合成方法
开发环保、高效的合成方法，减少对 环境的负面影响，实现可持续发展。
结构
在应用方面，需要深入研究MOFs的构效关系和作用机制，以提高其在不 同领域的应用效果和可靠性。同时，也需要加强MOFs在实际应用中的安 全性和稳定性的研究，以确保其长期有效性和可靠性。
THANKS
水解。
合成困难
合成具有特定结构和性质的金 属有机骨架需要精确的控制条 件和过程。
孔径调控难度大
孔径大小是金属有机骨架的重 要性质，但调控难度较大，难 以实现孔径的精确控制。
应用领域有限
目前金属有机骨架化合物的应 用主要集中在气体储存和分离 领域，其他领域的应用有待进
一步开发。
未来的研究方向与前景
提高稳定性
气体传感和检测
金属有机骨架化合物对特定气体具有高灵敏度， 可以用于气体传感和检测领域。它们能够快速响 应有害气体，为环境监测和安全防护提供有力支持。
在催化领域的应用
酸性催化
某些金属有机骨架化合物具有酸性催化功能，可用于酯 化、烷基化等有机合成反应。这为高效合成复杂有机分子 提供了新的途径。
光催化
结合金属有机骨架化合物的光响应性质，可以实现光催 化反应。这为利用太阳能驱动化学反应提供了新的可能性。
通过改进合成方法和条件，提高金属 有机骨架化合物的稳定性，使其在实 际应用中更可靠。
拓展应用领域
积极探索金属有机骨架化合物在其他 领域的应用，如催化、光电、生物医 学等。
多功能化
通过设计具有多功能性的金属有机骨 架化合物，实现在单一材料中同时实 现多种功能。
绿色合成方法
开发环保、高效的合成方法，减少对 环境的负面影响，实现可持续发展。
结构
金属有机骨架材料(MOF)的分类课件
要点二
详细描述
为了拓展MOFs的应用领域，提高其功能化程度至关重要 。目前，研究者们正在致力于开发具有特定功能的MOFs ，如催化、吸附、光学等，以满足不同领域的需求。同时 ，还需要深入研究MOFs的功能化机制，为其未来的发展 提供理论支持。
中度功能化MOFs
功能化程度适中，适用于中等复杂吸附和分离。
高度功能化MOFs
功能化程度较高，适用于复杂吸附和分离以及催化反应等应用。
03
MOFs的应用领域
气体储存和分离
由于MOFs具有高比表面积和可调的孔径，它们被广泛应用于气体储存和分离领 域。
MOFs可以用于储存氢气、甲烷等清洁能源气体，提高能源的储存密度。同时， MOFs也可以用于分离工业气体，如二氧化碳、乙烯等，提高产品的纯度。
催化反应
MOFs具有高比表面积和可调的孔径，可以作为催化剂的载 体，提高催化反应的效率和选择性。
MOFs可以用于催化有机反应、光催化反应和电化学反应等 ，如烷基化反应、氧化反应和加氢反应等。这些反应在化工 、制药和新能源等领域具有广泛的应用前景。
药物传递和释放
MOFs具有可调的孔径和结构，可以用于药物传递和释放 ，实现药物的精准控制。
孔径大小类型MOFs的特点
大孔径MOFs
孔径大于10 Å，适用于大 分子物质的吸附和分离。
中孔径MOFs
孔径在5-10 Å之间，适用 于中小分子物质的吸附和 分离。
小孔径MOFs
孔径小于5 Å，适用于小分 子物质的吸附和分离。
功能化程度类型MOFs的特点
低度功能化MOFs
功能化程度较低，适用于简单吸附和分离。
拓扑结构类型MOFs的特点
八面体型
以八面体作为基本结构单元，形成的 MOFs具有较高的比表面积和孔容， 适用于气体储存和分离。
金属有机骨架材料MOFs及其应用课件
详细描述
MOFs可以用于制造光电器件、光学 传感器、光子晶体等光学器件。这些 器件在光通信、显示技术等领域有广 泛应用。
03
MOFs的挑战与前景
稳定性问题
01
热稳定性
MOFs在高温下容易分解，影响 其在实际应用中的持久性和稳定 性。
02
03
化学稳定性
水稳定性
MOFs对某些化学物质的稳定性 较差，容易与某些气体或液体发 生反应，导致结构破坏。
多功能性探索
总结词
未来研究将进一步挖掘MOFs的多功能性，拓展 其在能源、环境等领域的应用。
总结词
探索MOFs在光电转换、传感器和生物医学等领 域的应用潜力。
ABCD
详细描述
利用MOFs的孔道和活性位点，开发其在气体存 储、分离、催化等方面的多功能性。
详细描述
利用MOFs的优异性能，开发其在太阳能电池、 生物成像和药物传递等方面的应用。
药物载体设计与应用
药物载体设计
MOFs具有可调的孔径和结构，可以作为药物载体用于 药物输送。通过优化MOFs的结构和性质，可以实现药 物的控释、靶向输送和高效释放。
药物应用
利用MOFs作为药物载体，可以实现药物的定向输送和 局部浓集，提高药物的疗效并降低副作用。同时， MOFs还可以用于药物的储存和保护，提高药物的稳定 性。
MOFs在水环境中容易发生水解 或水合作用，影响其性能和稳定 性。
孔径调控与功能性
孔径调控
通过改变配体和金属离子，可以调控MOFs的孔径大小，实现对特定分子的吸附和分离 。
功能性
通过引入功能性基团或与其他材料复合，赋予MOFs新的功能，如催化、传感、发光等 。
规模化制备与成本
规模化制备
MOFs可以用于制造光电器件、光学 传感器、光子晶体等光学器件。这些 器件在光通信、显示技术等领域有广 泛应用。
03
MOFs的挑战与前景
稳定性问题
01
热稳定性
MOFs在高温下容易分解，影响 其在实际应用中的持久性和稳定 性。
02
03
化学稳定性
水稳定性
MOFs对某些化学物质的稳定性 较差，容易与某些气体或液体发 生反应，导致结构破坏。
多功能性探索
总结词
未来研究将进一步挖掘MOFs的多功能性，拓展 其在能源、环境等领域的应用。
总结词
探索MOFs在光电转换、传感器和生物医学等领 域的应用潜力。
ABCD
详细描述
利用MOFs的孔道和活性位点，开发其在气体存 储、分离、催化等方面的多功能性。
详细描述
利用MOFs的优异性能，开发其在太阳能电池、 生物成像和药物传递等方面的应用。
药物载体设计与应用
药物载体设计
MOFs具有可调的孔径和结构，可以作为药物载体用于 药物输送。通过优化MOFs的结构和性质，可以实现药 物的控释、靶向输送和高效释放。
药物应用
利用MOFs作为药物载体，可以实现药物的定向输送和 局部浓集，提高药物的疗效并降低副作用。同时， MOFs还可以用于药物的储存和保护，提高药物的稳定 性。
MOFs在水环境中容易发生水解 或水合作用，影响其性能和稳定 性。
孔径调控与功能性
孔径调控
通过改变配体和金属离子，可以调控MOFs的孔径大小，实现对特定分子的吸附和分离 。
功能性
通过引入功能性基团或与其他材料复合，赋予MOFs新的功能，如催化、传感、发光等 。
规模化制备与成本
规模化制备
金属有机骨架材料(MOFs)PPT课件
精选PPT课件
5
MOFs are composed of metal nodes and organic linkers that can be systematically tuned in terms of chemical composition and precise arrangement— an attribute that differs from purely inorganic zeolites,which consist largely of silicon or aluminium ions linked by oxygen atoms.
2 Stability of metal–organic frameworks
3 MOF stability in catalytic systems
4 Future perspectives
精选PPT课件
3
1
Introduction
精选PPT课件
4
Metal–organic frameworks (MOFs) are a scientifically compelling and functionally evolving class of meso-, micro- and ultramicroporous materials. MOF structures encompass dozens of topologies, including several, such as sodalite and Rho, that are also well known for zeolites. MOFs have been explored for many applications including, but not limited to, gas storage and release, chemical separations, drug delivery, catalysis, light harvesting and energy conversion, and, recently, the degradation of toxic substances such as chemical warfare agents
MOF材料的研究进展PPT课件
-
8
纺织、造纸、印染、钢铁、焦化、石油、农药、油漆等现代工业的发展，产生了 大量的有机污染物，其中大部分具有致癌、致畸、致突变且难生物降解的特点。 这些有毒有害有机污染物对环境的巨大危害以及带来的环境问题越来越被人们所 认识。采用MOFs 吸附去除水中的有机染料受到广泛关注，研究涉及的有机染料 包括甲基橙（MO）、亚甲基蓝（MB）、孔雀石绿（MG）等二甲苯酚橙（XO）[、 罗丹明B(RhB)、结晶紫（CV）、刚果红（MG）和荧光素钠等。
-
10
HAQUE E，JUN J W，JHUNG S H. Journal of Hazardous Materials，2011，185（1）：507-511.
金属有机骨架（MOFs）为壳的核壳结构材料研究进展
近年来，核壳材料的合成与应用研究成为材料领域的一大热点。从广义上说，核壳结构 材料是一种材料通过物理化学作用均匀地包覆在另一种材料表面形成的纳米尺度的有序 核壳结构，还包括空球、微囊等材料。通过裁剪核或壳的结构、尺寸，可以调控核壳材 料的吸附分离、催化、光学、磁学等性质，从而表现出异于单组分的核或壳的性能。核 壳结构材料按外壳来分，主要有金属/非金属类、非金属/金属的化合物类、分子筛类和 金属有机骨架类。然而，金属有机骨架为壳的核壳结构材料的研究至今相对比较少，还 不是很成熟，因此类核壳材料仍有很大的发展潜力。
MOF材料在储氢领域的研究进展
利用最小的羧酸基元合成了目前世界上第一 例具有(3,3,5)-c/gdm拓扑网结构的GDMU-2MOF材料，揭示了构筑基元的功能化对材料 微观结构和性能的调节作用，最终实现了对 氢气储存能力的同步优化，大幅提升材料储 氢效率。未来氢能作为氢燃料电池在交通工 具中大量应用时，MOF材料可起到重要作用。 “GDMU-2-MOF材料具有比表面积和孔容积
金属有机骨架材料原理与应用
1.戴宏杰（Hongjie DAI），排名第7，美国斯坦福大
学教授；
2.彭笑刚（Xiaogang PEN浙江大学教授；
3.杨培东（Peidong YANG），排名第10，美国加州
大学伯克利分校教授；
4.陈邦林（Banglin CHEN），排名15，美国德州大
学圣安东尼奥分校教授；
✓H3 和 H4 ： 狭 缝 状 孔 道，形状和尺寸均匀的 孔呈现H4迟滞环，非均 匀的孔呈现H3迟滞环。
精选版课件ppt
10
传统三大应用领域
➢ 吸附材料：用于工业与环 境上的分离与净化、干燥 等领域。
➢ 催化材料：用于石油加工、 石油化工、煤化工与精细 化工等领域中大量的工业 催化过程的需要。
➢ 离子交换材料：大量用于 洗涤剂工业，矿厂与放射 性废料及废液的处理。
一些研究人员尝试把他们实验室制备的材料 使用一个描述性的名字，大部分情况是一个 取首字母的简称加上一个数字,数字代表制备 的序号。
精选版课件ppt
20
材料的成分 MOF-n: Metal-Organic Framework; RPF-n: Rare-Earth Polymeric Framework; MPF-n: Metal Peptide Framework;
精选版课件ppt
12
年份
获奖者
1913 Alfred Werner
1964 Dorothy Crowfoot Hodgkin
1927 Heinrich Otto Wieland
1930 Hans Fisher
1928
Adolf Otto Reinhold Windaus
Walter Norman Haworth; 1937
金属有机骨架材料原理与应用课件
1 2 3
酸碱性质
金属有机骨架材料可以具有酸性或碱性，这取决 于其组成和结构，可用于酸碱催化反应。
配位性质
金属有机骨架材料中的金属中心可以与多种配体 进行配位，形成配合物，这有助于理解金属配位 聚合物的合成与性质。
反应活性
金属有机骨架材料可以作为催化剂或反应载体， 用于各种化学反应，如烷基化、氧化、还原等。
物理性质
高比表面积
01
金属有机骨架材料通常具有高比表面积，有利于提高吸附和分
离性能。
光学性质
02
某些金属有机骨架材料具有独特的光学性质，如荧光、磷光等
，可用于传感器、发光器件等领域。
电学性质
03
通过引入不同类型和数量的电荷基团，可以调节金属有机骨架
材料的电学性质，如导电性、电化学性质等。
化学性质
详细描述
金属有机骨架材料具有高比表面积、高孔容、可调的孔径和 功能性强的特点，这些特性使得它们在气体储存、吸附分离 、光电转换和传感器等领域具有广泛的应用前景。
分类与合成方法
总结词
金属有机骨架材料可以根据不同的分类标准进行分类，如根据金属离子类型、有机配体类型和孔径大小等。合成 方法包括模板法、溶剂热法、水热法等。
。
04
金属有机骨架材料的挑战与 前景
面临的挑战
01
02
03
稳定性问题
金属有机骨架材料在湿度 、温度等环境因素影响下 易发生结构变化和稳定性 下降。
合成方法的复杂性
金属有机骨架材料的合成 通常需要精确控制反应条 件，合成过程较为复杂。
孔径调控的局限性
目前金属有机骨架材料的 孔径调控仍存在较大的局 限性，难以实现多样化的 孔径结构。
共价有机骨架材料COFppt精选文档课件
100
RCOO-
80
Et-
60
40
系列由直接缩合反应难以得到 的孔道多样化的COFs,并且经 过修饰的COFs表现出了明显
20
优化的CO2吸附能力。
0
H P-COF 2
[Et] -H P-COF 25 2
[MeOAc] -H P-COF [AcOH] -H P-COF
50 2
50 2
[EtOH] -H P-COF 50 2
--
--
-- 450-1070
--
14-65
--
MOF-5
C24H12O13Zn4 12,15
--
3800
76
120(300K) 970(40bar)
MOF-177
C54H30O13Zn4 11,17
--
4750
75.2
--
O. M. Yaghi, et al., J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 8875-8883.
2.4 其他合成方法
单层COFs的合成
W. R. Dichtel, et al., Science, 2011, 332, 228-231.
11
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
COF-103的BET 4210m2 /g
① 硼基COFs有高的结晶度和规整的孔道结构，但是对水和质 子性溶剂不稳定；基于亚胺、腙、三嗪等的COFs稳定有所 提升，但是一般具有较差的结晶度以及有限的孔道。
展望：
• 合成：开发高效合成方法，缩短反应时间，增加合成量 • 结构：开发更多新型的COFs材料，得到集高稳定性、高
金属有机骨架材料MOF的分类ppt课件
11
The CH4 adsorptions: ZIF-71 < -97 < -93 < -96 < -25. These results suggest that the dominant influence on adsorption of CH4 in the ZIFs is BET surface area or free volume, consistent with results obtained by the Snurr group and Wang et al.
9
Chem. Commun., 2011,47, 9603–9605
B.MOF材料的计算化学研究方法及应用
量子力 学方法
第一性原理方法、密度泛函理论
分子力 分子模 学方法 拟方法
蒙特卡罗方法、分子动力 学方法
10
Experimental−Computational combination
J. Phys. Chem. C 2013, 117, 10326−10335
3
IRMOF材料
IRMOF是由分离的次级结构单元[Zn4O]6+无机基团与一系列芳 香羧酸配体，以八面体形式桥连自组装而成的微孔晶体材料。 通过使用含更长的二羧酸配体反应物，IRMOF系列化合物的 孔道尺寸可以增大到28.8Å，孔隙率从55.8%增大到91.1%，大 大超过了沸石的孔隙率。
用于合成IRMOF系列材料的不同配体 Mohamed Eddaoudi, Jaheon Kim, Nathaniel Rosi,David Vodak, Joseph Wachter, Michael O’Keeffe, Omar M. Yaghi*. Systematic Design of Pore Size and 4 Functionality in Isoreticular MOFs and Their Application in Methane Storage. Science, 2003, 300, 1127
The CH4 adsorptions: ZIF-71 < -97 < -93 < -96 < -25. These results suggest that the dominant influence on adsorption of CH4 in the ZIFs is BET surface area or free volume, consistent with results obtained by the Snurr group and Wang et al.
9
Chem. Commun., 2011,47, 9603–9605
B.MOF材料的计算化学研究方法及应用
量子力 学方法
第一性原理方法、密度泛函理论
分子力 分子模 学方法 拟方法
蒙特卡罗方法、分子动力 学方法
10
Experimental−Computational combination
J. Phys. Chem. C 2013, 117, 10326−10335
3
IRMOF材料
IRMOF是由分离的次级结构单元[Zn4O]6+无机基团与一系列芳 香羧酸配体，以八面体形式桥连自组装而成的微孔晶体材料。 通过使用含更长的二羧酸配体反应物，IRMOF系列化合物的 孔道尺寸可以增大到28.8Å，孔隙率从55.8%增大到91.1%，大 大超过了沸石的孔隙率。
用于合成IRMOF系列材料的不同配体 Mohamed Eddaoudi, Jaheon Kim, Nathaniel Rosi,David Vodak, Joseph Wachter, Michael O’Keeffe, Omar M. Yaghi*. Systematic Design of Pore Size and 4 Functionality in Isoreticular MOFs and Their Application in Methane Storage. Science, 2003, 300, 1127
MOFPPT课件
Shaped bodies made from MOF materials
MOF-5, Zn4O(BDC)3 M.OF-177, Zn4O(BTB)3
.
Yaghi, O.M., J. Am. Chem. Soc., 2008,130, 11580 .
.
A large series of isoreticular metal-organic (IRMOFs) were produced by Yaghi group .
奇妙的金属有机骨架材料
Magic Metal-Organic Frameworks
.
环境污染与能源危机
温室气体效应
根据联合国政府间气候变化专 门 委 员 会 （ IPCC ） 规 定 ， 目 前由人类活动引起的大量聚集 在大气中的温室气体主要是二 氧化碳、甲烷、一氧化氮、六 氟化硫和两组工业气体氢氟烃 (HFCs)和全氟烃(PFCs)
能用作传感器、缓 释药品的给药载体。
能用作发光材料、 磁性材料。
能将存储功能与催化作用结合，将捕获的二氧化碳转化为有 用的燃料如甲醇，能用作车载储氢材料
.
国际能源暑（IEA）提出 的氢能源实用化的目标：
质量储氢率5%，体积储 氢率50g/L，
美国能源部（DOE）提出的 氢能源实用化的目标：
质量储氢率6.5%，体积储氢 率62g/L，车用储氢能力3.1kg
Secondary building units (SBUs) a, the squre “paddlewheel” cluster. b, the octahedral “basic zinc acetate” cluster. c, the trigonal prismatic oxo-centered trimer.
第8章 金属有机骨架材料
(3) 1999年，Yaghi在Nature上发表了由锌离子和对苯二甲 酸 构建的MOF-5（又称IRMOF-1）。
HOOC
COOH
Zn(NO3)2
Nature, 1999, 402(6759), 276.
(4) 1999年，香港科技大学Williams教授在Science上发表了 由硝酸铜和均苯三甲酸构建的另一著名的金属有机骨架 HKUST-1（又称MOF-199） 。
第8章
金属有机骨架材料
Metal-organic frameworks, MOFs
❖MOFs的发展历史 ❖MOFs的优点与缺点 ❖MOFs的结构设计策略 ❖MOFs的合成方法 ❖MOFs的应用
MOFs的概念 金属有机骨架（MOFs），也称配位聚合物（coordination polymers, CPs），是由金属离子或金属簇与有机配体通过 配位组装形成的一类具有周期性多维结构的多孔有机-无机 杂化材料。
❖气体吸附 氢气吸附：
MOF-5是众多MOFs中的一个典型范例，其框架[Zn4O(BDC)3]是 Zn4O(COO)6单元与对苯二甲酸根BDC相互连接形成的具有pcu拓扑的三 维网络。MOF-5在真空下可以稳定到400 oC。Long等在严格无水无氧条 件下制备的MOF-5样品，其高压H2吸附测试显示在7 K、4 MPa下，H2 超额吸附量为76 mg/g。当压力为17 MPa时，H2绝对吸附量高达130 mg/g，体积存储密度为77 g/L。
(1) 1989年，澳大利亚Robson教授首次报道了一系列多孔配位 聚合物的晶体结构。（J. Am. Soc. Chem., 1989, 111, 5962）
(2) 1995年 美国Yaghi教授课题组使用一价铜离子和4,4‘-联吡 啶为原料，通过水热合成法制备了具有金刚烷型网状结构 的配位聚合物MOF-1，并首次提出MOFs的概念。
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2. 金属有机骨架材料的研究概况
❖知名的研究小组
美国：Yaghi、Long、Hupp、Hong-cai Zhou(周宏才) Wenbin Lin(林文斌)、Jing Li、Xianhui Bu Banglin Chen、Shengqian Ma
法国：Gérard Férey 日本：Kitagawa、 Qiang Xu 英国：Martin Schröder 德国：Stefan Kaskel 加拿大：George K. H. Shimizu 韩国：Kimoon Kim、Myunghyun Paik Suh 印度：Rahul Banerjee 中国：陈小明、洪茂椿、裘式纶、高松、左景林等
贯穿（interpenetration）：在网络结构中，两种或 两种以上网络通过物理作用而不是化学键的方式 相互交织在一起形成一个分子整体的现象。
次级结构单元（SBU, secondary building units):在 用一组节点（簇）来代替一个节点的装饰过程中， 这组节点被认为是一个次级结构单元。
物理吸附与化学吸附的比较
三类吸附曲线
1. 吸附等温线：当温度一定时，压力（平衡浓度） 和吸附量的关系曲线。
2. 吸附等压线：在等压情况下，表示吸附量和温 度的关系曲线。
3. 吸附等容线：在等吸附容量情况下，表示温度 和压力的关系曲线。
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问
六类吸附等温线
金属有机骨架材料原理与应用
主要内容
➢简介 ➢研究概状 ➢制备方法 ➢表征手段 ➢设计策略 ➢发展历程 ➢应用 ➢展望
传统的多孔材料
分 子 筛
碳 基 材 料
多孔材料分类
1.微孔：孔径小于 2 nm 超微孔：孔径小于0.7 nm 亚微孔：孔径介于0.7～2.0 nm
2.介孔(中孔）：孔径在2～50 nm
拓展（expansion）：在构筑网络结构时，用长的链 接代替单个化学键，以增加网络结构中节点的距离的 过程。
装饰（decoration）：在构筑网络结构时，用一组节 点（簇）代替网络中的一个节点（原子）的过程。
增长（augmentation）：是装饰过程的一种特例， 是以N个节点为一组节点代替网络中的一个N连接 节点的过程。
材料的成分 MOF-n: Metal-Organic Framework; RPF-n: Rare-Earth Polymeric Framework; MPF-n: Metal Peptide Framework;
结构 ZMOF-n: Zeolite-like Metal-Organic Framework; ZIF-n: Zeolitic Imidazolate Framework; PCN-n: Porous Coordination Network;
金属有机骨架材料的特点
➢ 从金属中心的角度 从过渡金属、碱金属、碱土金属到稀土金属等 从低价到高价
➢ 从有机配体的角度 可借助强大的有机合成手段对有机配体进行设计
➢ 从合成的角度： 合成条件更加温和
➢ 从结构的角度 孔径大小可调，孔道表面可修饰等
金属有机骨架材料的命名
一些研究人员尝试把他们实验室制备的材料 使用一个描述性的名字，大部分情况是一个 取首字母的简称加上一个数字,数字代表制备 的序号。
Ⅰ型吸附等温线：也称Langmuir吸附等温线。限于 单层或准单层，大多数化学吸附等温线和完全的微 孔物质（如活性碳）和分子筛的吸附等温线属于此 类。
Ⅱ型吸附等温线：常称S型等温线。在无孔固体或 在大孔材料中的吸附常常是这类等温线。吸附等温 线的拐点通常发生在单层附近。
Ⅲ型吸附等温线：其特征是吸附热小于吸附质液化 热。因此随着吸附的进行，吸附反而得以促进。
金属-有机骨架化合物通常是指有机配体与金属离 子通过自组装过程形成的具有周期性网络结构的 金属有机骨架晶体材料，它结合了高分子和配位 化合物两者的特点，既不同于一般的有机聚合物， 也不同于Si-O类的无机聚合物。
常用术语
节点（node）： 网络结构中的交点。
链接（linker）：链接网络结构中节点间的化学键或 包括多个化学键的有机官能团。
四类迟滞环
迟滞现象：吸附-脱附不完全 可逆，吸附-脱附等温线不重 合的现象。
✓H1: 圆 筒 形 细 长 孔 道 且孔径大小均一分布较 窄，大小均一的球形粒 子堆积而成的孔穴。
✓H2：口小腔大的“墨 水瓶形”孔道。
✓H3 和 H4 ： 狭 缝 状 孔 道，形状和尺寸均匀的 孔呈现H4迟滞ห้องสมุดไป่ตู้，非均 匀的孔呈现H3迟滞环。
实验室的名字 MIL-n: Materials of Institut Lavoisier; CPO-n: Coordination Polymer of Oslo; ITQMOF-n: Instituto de Technología Química MOF; NU-n; NOTT-n; HKUST-n; ZJU-n; FJI-n; etc.
传统三大应用领域
➢ 吸附材料：用于工业与环 境上的分离与净化、干燥 等领域。
➢ 催化材料：用于石油加工、 石油化工、煤化工与精细 化工等领域中大量的工业 催化过程的需要。
➢ 离子交换材料：大量用于 洗涤剂工业，矿厂与放射 性废料及废液的处理。
1. 金属-有机骨架化合物的简介
自A.Werner在1893年创立配位化学以来，对配合物 的研究成了无机化学中最为活跃的领域之一。1951 年Wilkinsen和Fisher合成了二茂铁以及夹心型化合 物而获得了1973年的诺贝尔化学奖。到目前为止， 已经有20多位科学家从事与配位化学有关的科学研 究而获得诺贝尔奖。可以说，配位化合物已经深入 到了各个研究领域。
• 大孔：孔径大于50 nm
基本概念 吸附：当气体或液体与某些固体接触时，气体或液 体分子会积聚在固体表面上，这种现象称为吸附。
吸附剂：实施吸附的物质。
吸附质：被吸附的物质。
物理吸附：被吸附分子与固体表面分子间的作用力 为分子间吸引力，即范德华力。
化学吸附：基于固体吸附剂表面发生化学反应，使 吸附质和吸附剂之间以化学键结合的吸附过程。