想要知道有機金屬框架的作用，請從這十篇綜述開始！

一、什么是有機金屬框架結構？

有機金屬框架（Metal-organic framework，MOF）是新材料領域研究的熱點。自從1990年，美國Yaghi課題組和日本Kitagawa課題組成功合成穩定孔結構的MOF材料以來，種類繁多、功能性強、孔隙率和比表面積較大、孔尺寸可調、具有仿生催化和生物相容性等特點的MOF材料不斷出現。目前，柔性、導電、具有特定催化性能的穩定MOF材料已經廣泛應用在各種研究領域[1]。

二、MOF材料的制備注意事項

（1）選擇合適的有機配體和金屬元素，通過調控配體上的官能團類型和金屬鹽的種類，合成不同形貌、大小、選定功能和特定孔徑分布的選定MOF材料。

（2）明確MOF的合成機理，通過控制合成條件，選擇合適的形核和生長方式，獲得設計的晶體結構[2]。

三、MOF材料多功能應用的原因

金屬和有機配位形成特定的框架結構，這種結構不僅具有金屬的活性；同時也獲得了有機配體的柔性、官能團的選擇性和其他物理化學性能；還有配位形成的特殊空間結構。這三種有力因素的完美結合，為MOF材料的廣泛應用提供了基礎條件[3]。

四、有機金屬框架的儲能性能

MOF材料應用到儲能領域的主要問題是導電性和循環壽命不能滿足應用要求。因此，人們將各種不同類型的MOF材料用于超級電容器和金屬電池中，探索其電化學能量的存儲機理、電極材料的穩定性、電荷傳輸途徑、質量傳遞和電化學反應。但是與MOF的氧化物和碳材料衍生物相比，MOF薄膜材料的制備方法需要進一步拓展；導電MOF的研究仍處于初始階段，其中關于載流子的濃度、類型和遷移速率仍需要進一步研究；MOF電極的穩定性、合適的電解液、適當的制備方法仍需要進一步完善[4]。

五、有機金屬框架的催化性能

雖然MOF含有催化活性的金屬，但是MOF中的金屬位點通常和有機配體相結合，沒有暴露出來，通常沒有活性。因此大部分MOF催化性能的研究，主要集中于MOF與納米金屬粒子相結合的方式。目前通用的制備方法有六種，其中簡便、易操作、可控性強的方法是以金屬粒子為晶種，進一步生長MOF材料，這樣可以獲得球狀、多面體和核殼狀等多種可控結構。各種設定的結構能夠提供有力的孔道結構，配體上的官能團也能夠調節電子的性質，進而富集特定的氣體分子，提高催化活性。但是存在的問題也很集中，選用的金屬粒子通常為貴金屬，這無疑加大了生產成本，限制了產業化應用。未來如何減低生產成本，促進商業化應用是亟待解決的問題。目前理論計算和實驗相結合的方法，將是未來研究的主打方向[5]。

六、有機金屬框架的分離性能

MOF材料與其它孔結構材料相比，可以通過實驗設計調控材料的結晶性、空隙規律性和表面活性。因此MOFs在各種分離中表現出很大的應用潛能，可以在液相和氣象中得到應用，例如：從CO₂的捕集，天然氣凈化，H₂凈化，惰性氣體分離，空氣分離到有害氣體，從脫硫到大分子包合，到結構異構體分離到對映體分離等，各種需要在氣相和液相系統分離的環境。目前MOF作為單一特性的分離材料，已經研究的較為成熟。但是，關于測量混合氣體和使用柱色譜（蒸氣和蒸汽）分離的新型MOF仍需要探索。另外，MOF材料的低成本制備的大規模產業應用是時候進行測試了。未來MOF材料在分離上的應用，將不再是單組分等溫線計算的CO₂相對于N₂或CH₄的選擇性吸附，而是選擇性地從充滿SO_x的熱濕煙氣流中，捕獲CO₂，氮氧化物和其他污染物，并且在多年的使用過程中，材料不會降解[6]。

七、有機金屬框架的生物學性能

MOF的可調組成、結構、孔徑、體積、官能化、柔性結構與其他載體相比，具有吸附和釋放生物分子的獨特優點。可以通過適當的金屬元素、接頭和結構，改變MOF材料的可生物降解特性。因此利用MOF本身的降解，可以釋放藥物；或者采用生物活性金屬（Ag、Zn、Ca、Mn、Gd、Fe......）引入抗菌活性或者成像性質的MOF顆粒給藥。MOF材料也可以用來追蹤藥物在體內的運動路徑，分析藥代動力學和藥效。研究發現，MOF材料的顆粒大小、薄膜、凝膠和復合材料是影響給藥的主要因素；MOF納米粒子表面修飾調節其生物分布（生物粘貼、隱身和靶向等）表現出極強的生物價值；MOF的計算發現晶體框架使得主客體的相互作用分析和模型藥物系統的封裝/釋放更容易。但是，目前關于MOF裝載藥物、降解機制和給藥的動力學研究仍然匱乏；MOF的毒性研究也很少。未來MOF材料的生物性研究，將極大促進醫藥領域的發展[7]。

八、有機金屬框架的儲氫性能

MOF儲氫的結合能和儲存容量正在不斷增加，其中高的比表面積、空位配位點和強表面偶極矩起到了顯著作用。其中Zn₄O(BDC)₃的H₂吸收量為質量的10%和66 g L^-1。預計這種結構的重量容量改善不會損失氣體的儲存密度。但是在25℃下，MOF材料需要強的表面偶極子和開放的金屬配位點增加H₂的親和力，才可以提高材料的儲氫性能。MOF材料儲氫的難點在于設計橋接的配體、表面官能團和金屬離子的選擇，進而形成儲氫框架結構。未來MOF材料的穩定性、成本及大規模生產的產業化的儲氫研究，將極大的改善H₂的儲存和使用問題[8]。

九、有機金屬框架的光學性能

與儲氣、分離和多相催化相比，發光MOF材料的研究相對較弱，僅僅建立了發光MOF多功能材料的基本原則。因此發光MOF仍然需要進行全面的實驗研究。發光MOF的影響因素主要有溫度、激發波長、量子產率、壽命及其發光機理等。其中，有機配體的選擇對于MOF材料的發光性起決定性作用。目前，具有高共軛π電子的有機配體廣泛用于功能性發光MOF的研究。另外，MOF內的結構、孔徑和功能位點會影響發光MOF的高靈敏度和選擇性。發光傳感和微孔結合允許小分子通過，排除較大的物質，可以形成小分子高靈敏度傳感器。Kitagawa等人開發的簡單解碼方法是功能發光MOF探索的突破之一。這種方法引發了人們廣泛的研究，不僅僅是由于導通發射和多色發光的結合會形成發光MOF，也可以獲得MOF傳感器。未來將納米級電致發光MOF結合在兩個導體之間，可以制備電子器件；制成薄膜，可制備傳感裝置；應用到藥物傳輸方面，可以研究藥物輸送監測和治療[9]。

十、有機金屬框架的磁學性能

MOF材料的磁性能與配體（低聚物）的鏈、層和3D網絡有關，它們影響了不同長程有序基態磁鐵、鐵磁體、反鐵磁體、傾斜反鐵磁體、大多數不尋常的超磁體和短程有序狀態的單分子磁鐵和單鏈磁鐵的磁性。這種有機配體和金屬粒子相結合的新框架結構可以改善材料的結構和性質，設計特定的磁性材料，調節不同基態之間的磁性。另外，可以通過自旋交叉引入雙功能性，導電性，介電性，混合效價和光學效應。研究發現，MOF材料的磁性轉變溫度高于液氮和磁性硬度大于60 kOe，超過所有已知的氧化物磁鐵，并且對發展途徑沒有限制，因此對磁性材料的研究是非常有意義的[10]。

【綜述目錄】

[1] Kitagawa S, Matsuda R. Chemistry of coordination space of porous coordination polymers[J]. Coordination Chemistry Reviews, 2007, 251(21):2490-2509.

[2] Vleet M J V, Weng T, Li X, et al. In Situ, Time-Resolved, and Mechanistic Studies of Metal–Organic Framework Nucleation and Growth[J]. Chemical Reviews, 2018, 118(7).

[3] Howarth A J, Liu Y, Li P, et al. Chemical, thermal and mechanical stabilities of metal–organic frameworks[J]. Nature Reviews Materials, 2016, 1:15018.

[4] Zhou J, Wang B. Emerging crystalline porous materials as a multifunctional platform for electrochemical energy storage[J]. Chemical Society Reviews, 2017, 46(22):6927-6945.

[5] Yang Q, Xu Q, Jiang H L. Metal-organic frameworks meet metal nanoparticles: synergistic effect for enhanced catalysis[J]. Chemical Society Reviews, 2017, 46(15):4774.

[6] Li J R, Sculley J, Zhou H C. Metal-organic frameworks for separations[J]. Chemical Reviews, 2012, 112(2):869-932.

[7] Horcajada P, Gref R, Baati T, et al. Metal-organic frameworks in biomedicine[J]. Chemical Reviews, 2012, 112(2):1232-1268.

[8] Murray L J, Dinc?? M, Long J R. Hydrogen storage in metal-organic frameworks[J]. Chemical Society Reviews, 2009, 38(5):1294-314.

[9] Cui Y, Yue Y, Qian G, et al. Luminescent functional metal-organic frameworks[J]. Chemical Reviews, 2012, 112(2):1126-62.

[10] Kurmoo M. Magnetic metal-organic frameworks[J]. Chemical Society Reviews, 2009, 38(5):1353-1379.

本文由新能源組Materials_1219供稿，材料牛整理編輯。

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