小材料，大能量！ 10篇JACS/Angew來襲！看夢幻材料“多孔材料”前沿領域新進展

一、多孔材料研究背景介紹

近年來，多孔材料的研究發展迅速，作為材料新寵，多孔材料潛力無限。按孔徑分類，分為微孔(Φ<2nm)、介孔(2nm≤Φ≤50nm)及大孔(Φ>50nm)。按照材質又分為金屬多孔材料和非金屬多孔材料，其顯著特點是具有優異的機械性能、傳播性能、光電性能、滲透性、吸附性以及化學性能。多孔材料在大分子催化、太空材料、吸附與分離、光電器件、納米材料組裝及生物醫藥等眾多領域具有廣泛的應用前景。下面我們整理了JACS和Angew雜志上關于多孔材料研究的最新科研進展，一起交流探討。

二、JACS/Angew關于多孔材料科研新進展

1、JACS:通過原位可變溫度液體細胞透射電子顯微鏡和原位X射線衍射直接監測金屬有機框架中的相變

美國西北大學的Omar K. Farha教授和Nathan C. Gianneschi教授通過合成兩個具有相同拓撲結構且由不同調制器構建的具有不同拓撲結構的純相MOF，提供了MOF拓撲結構與實驗參數之間的相關性。結合原位表征，VT-PXRD，HRTEM，VT-LCTEM，研究人員研究了動態MOF相變的機理。結果表明從scu-NU-906到csq-NU-1008的相變是通過溶解-再沉淀機制發生的。研究人員預期并建議這些技術的組合將被廣泛適用，從而提供一般晶體材料內動態過程的機械原理。

文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c00542

2、JACS:?Cage，COF，MOF和DNA中受局限驅動的光物理

美國南卡羅萊納大學Natalia B. Shustova教授課題組揭示了在密閉環境中用于調整分層擴展材料的光物理性質的潛力。首次探索了將MOF用作變量而客體分子保持不變以實現光物理輪廓可調性的概念。研究人員利用分子籠作為MOF的截斷模型，以提供有關限制環境如何使用X射線衍射和理論計算如何影響分子重組和分子內氫鍵的第一力學見解。通過提供有關DNA受限空間內HBI發色團行為的第一力學見解，研究人員將研究范圍擴展到超分子組裝或分層材料之外。展示了使用框架金屬節點抑制非輻射路徑的首次嘗試。這種策略為發現固定在人工MOF基質內部的生色團與天然蛋白質之間的結構和光物理相似性提供了一個藍圖。總而言之，該研究不僅說明了在有限空間內生色團光物理的機理解釋，而且還為精確定制固態光致發光材料的光物理響應提供了指導。

文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b13505

3、JACS:將共價有機骨架鍵合到共價橋接的無機/有機雜化物中，以實現高效的光催化作用

新加坡南洋理工大學趙彥利教授課題組開發出一種通過結合鍵演化和共價無機/有機異質結構來構建基于COF的光催化劑的方法，以用于可見光誘導的從水中析氫。在NTU-BDA-HTA和NTU-BDA-DHTA中的亞胺部分也可能抑制混合鍵COF的激發態，從而阻礙了光氧化還原過程。研究結果表明，COF的鍵會影響平面構象，有序結構，HOMO能量和激發態猝滅效應。研究人員已經成功證明了無機MXene的共價連接。與通過非共價相互作用（例如范德華力和氫鍵相互作用）相互作用的常規異質結構對照物相比，這些共價雜化物顯示出出色的光催化活性和從水中析出氫的穩定性。這種“設計篩選和增強”策略同時可合理構造COF并將其與其他功能材料集成，從而為開發高效光催化劑開辟了道路。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.0c00054

4、JACS:?包裹和傳遞蛋白質的水溶性柔性有機框架

復旦大學的黎占亭、周偉、張運昌以及美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Yi Liu證明了可以通過從容易獲得的陽離子和親水性前體形成動態鍵來制備具有納米級孔的水溶性柔性有機骨架。通過引入剛性四苯基甲烷載體實現了所得動態共價聚合物的固有孔隙率，而由四位單體引發的多價態可以定量形成腙鍵，從而形成尺寸超過100 nm的多孔骨架。柔性聚合物骨架的大孔同時具有離子性和疏水性內部結構域，用于包含不同的蛋白質以有效地進行細胞內遞送。柔性多孔有機骨架代表了新興的結晶共價有機骨架的擴展，這些骨架已被廣泛研究作為固態材料。良好的水溶性和穩定性，可控制的納米級尺寸以及易于制備等組合功能，可能為生物相容性柔軟材料的未來應用打開大門。

文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b13263

5、JACS:?通過設計液體介導處理來合成超穩定分子篩

日本東京大學的?Toru Wakihara?教授無需另外使用甲硅烷基化劑的液體介導的處理（可以協同使用氟離子，氫氧根陰離子和孔隙填充劑陽離子）可以穩定高硅沸石。處理過的沸石可以承受極高的蒸汽條件。通過涉及硅酸鹽物質遷移的自缺陷修復機制，可以大大減少處理過的沸石中的缺陷。研究人員所提出的方法適用于鋁含量在一定范圍內的不同沸石結構以及機械損傷的納米尺寸沸石。這種極其穩定的高硅沸石將開辟新的吸附和催化應用，在這種應用中，沸石要經受嚴苛的高溫蒸汽條件。此外，這些發現有望促進對多孔材??料的理解，包括最終的穩定性和遷移機理。

文獻鏈接：https://dx.doi.org/10.1021/jacs.9b12709

6、JACS:?聚合物界面組裝誘導合成具有多級孔道的二維碳納米片

韓國科學技術院的 Jinwoo?Lee?教授課題組開發出一種PISA策略，通過整合三元聚合物混合物的宏觀相遷移和BCP定向自組裝來合成微孔和中孔2D碳材料。 PISA方法簡單明了，不需要額外的硬模板/基板即可獲得2D形態。它還可以同時獨立控制厚度（5.6-75 nm）和中孔尺寸（25-46 nm），而這在其他情況下很難實現。這項研究為如何利用三元聚合物共混物的物理特性和BCP相行為提供了新的見解，從而可以用于二維工程合成納米多孔無機納米片。由于聚合物的化學成分/結構以及聚合物-聚合物的界面張力是高度可控的，因此這種PISA方法可能使二維多孔材料的設計具有很高的結構可調性。因此，PISA方法作為用于各種潛在應用（例如催化，能量轉換/存儲和生物應用）的2D多孔無機納米片合成的通用平臺，具有廣闊的前景。

文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c00311

7、JACS:?利用具有減小孔徑的離子共價有機納米片組裝成的超薄二維膜用于氣體分離

新加坡國立大學的Dan Zhao教授課題組開發了超薄2D膜，該膜是使用兩個固有電荷的iCON（帶相反電荷和不同孔徑）在靜電相互作用的驅動下通過逐層交錯堆疊構造而成的。由于分離層的超薄厚度（41 nm），減小的孔徑以及強大的層間靜電相互作用產生的致密致密結構，因此所得的雜化TpEBr @ TpPa-SO₃Na iCON膜表現出高的H₂滲透率（2566 GPU）和更高的H₂ / CO₂分離因子比單個單相iCON膜在423 K時要高，其性能超過了大多數報道的膜。此外，由于在iCON中強的共價亞胺鍵結合和致密的致密膜結構，這種雜化膜還顯示出長期的水熱穩定性。TpEBr @ TpPa-SO₃Na膜不僅為氫純化和預燃燒CO₂捕獲提供了候選物，而且為COF或2D多孔聚合物膜的孔工程提供了新的靈感思路。

文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b13825

8、Angew:?蜘蛛網狀金屬有機框架多功能泡沫

美國康奈爾大學Alireza Abbaspourrad教授課題組通過HIPE模板策略合成了獨特的中宏MOF平臺，該平臺適用于多種MOF和生物聚合物，其制造過程是通用，簡便，環保，適合大規模生產（涉及傳統實驗室設備的室溫合成）。這項研究的發現為MOF宏觀材料領域提供了一些進展，包括在高負載下MOF納米顆粒的良好分散性，定義明確的分層多孔系統，對MOF的組織的獨立控制以及支撐體相互連接的大孔網絡，并通過集成其他功能材料來簡單地制造MOF復合材料。所得的蜘蛛網狀多孔系統具有較高的表面積和孔通達性，因此具有出色的吸附和催化能力。由于能夠微調此分層平臺的屬性，因此該策略為基于MOF的混合材料科學在實際應用（例如分離，催化，組織工程，受控藥物遞送，生物學和藥物）中提供了強大的潛力。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1002/ange.201916211

9、Angew:?通過二維聚合物分子工程提高Au（111）在堿性介質中的析氫活性

德國馬普所Rico Gutzler教授課題組通過用多孔二維聚合物對電極表面進行改造，可以增強金電極在堿性電解質中的析氫活性。該聚合物通過氫鍵為H₂O和H提供了對接位，并增加了結合能和靠近電極的停留時間，從而提高了催化活性。通過系統工程設計聚合物的氫鍵位來調節HER活性。實驗結果結果突出了控制與多孔聚合物圖案化電極的反應物相互作用以實現混合有機/無機催化劑的優勢：通過提供足夠的停靠位點，可以微調反應物和中間產物與電極的相互作用。可以預見，聚合物上的不同對接位點（例如羥基或硫雜原子）會進一步調整氫鍵相互作用，并將反應物置于合適的幾何結構中以提高活性。這不僅為增強HER的催化活性，而且為過渡金屬催化劑上的其他電催化反應鋪平了道路。

文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201915855

10、Angew:?構筑SBA-15/ZIF-8多級孔復合材料用于胰島素固定

南京工業大學孫林兵教授課題組證明了通過在不間斷的中孔隧道中制造微孔MOF來成功構建具有新層次結構的ZIF8 / AS，這與已報道的基于在微孔框架中產生中孔的HP-MOF有所不同。兩個因素對于成功構建分層多孔材料至關重要，即在有限空間內獲得的高度分散的ZnO前驅體和用于ZIF-8結晶的LVIC策略。 LVIC策略幾乎可以將ZnO定量轉化為ZIF-8，并且可以在中孔內以高分散態形成適量的ZIF-8。所得的在不間斷的中孔中具有微孔的分層多孔復合材料表現出對大分子胰蛋白酶的高吸附能力。此外，固定后，胰蛋白酶的熱穩定性和儲存穩定性大大提高。該策略可能會為具有不間斷中孔隧道的分層結構的制造開辟一條途徑，從而促進傳質和活性位點可進入常規HP-MOF無法達到的大分子。本策略還可以擴展到具有3D介孔通道的其他一些二氧化硅中，從而制造具有各種孔系統的HP-MOF。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.201915332

本文由eric供稿

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