JACS：金屬有機骨架化合物(MOFs)“變形記”——從液體到固體再到泡沫的轉變

【引語】

2016年8月11日，北京理工大學化學學院的王博教授（通訊作者）在期刊JACS上發表了題為“Shaping of metal-organic frameworks: from?fluid to shaped bodies and robust foams”的學術論文，報導了關于金屬有機骨架化合物(MOFs)泡沫制備以及其性能的介紹。

【成果簡介】

金屬有機骨架化合物(MOFs)因其內部脆性較大、可加工性能較差，所以應用常常受到限制。不像有機高分子，MOF晶體不能溶解在任何溶劑中，大部分MOF都是熱固性材料，這意味著傳統的溶劑和以溶解為基礎的加工技術不能適用于MOFs。

然而，科學家們發現連續相轉變加工方法可以把MOFs加工為可加工流體、有形固體甚至是在這些相中可以發生可逆改變的MOF泡沫。基于這種方法，研究者們研制出了杯狀的Cu-MOF復合材料和分層多孔MOF泡沫，從而實現高效C-H鍵氧化催化。

通過這種方法可以得到各種低密度(<0.1 gcm-3)、高負載(80 wt%)的MOF泡沫。由于具有分層多孔結構，這些MOF泡沫呈現出低能量損耗的特點，具有優異的機械性能和C-H鍵氧化催化性能，很有潛力應用于薄膜反應器中。

【圖文導讀】

圖1：MOF@Fe3O4的制備過程和相轉變應用圖解以及用這種方法研制的其他泡沫成品示意圖

(a)為HKUST-1@Fe3O4-MF的制備過程圖解和該磁性液體的一些應用。圖中上半部分是MOF@Fe3O4的制備過程，圖中紅色小球代表羧基-COOH，綠色小球代表Cu2+離子，紫色小球代表MOF@Fe3O4。

(b)為用這種方法制造出的其他泡沫成品示意圖。

[注：BTC：均苯三甲酸。 ?CMC：Carboxymethyl Cellulose，即羧甲基纖維素，別稱E466。]

圖2：HKUST-1@Fe3O4-MF具有優異性能的樣品實驗以及C-H氧化催化反應器的圖解和催化性能分析

(a)：HKUST-1@Fe3O4-MF的反相轉變圖示。在磁性液體中加入CH3CN變為郁金香形狀的固體，繼而加水后恢復液體形狀，再加入CH3CN放入五角星模具又變為另一形狀的固體；

(b)：HKUST-1@Fe3O4-gel優異可恢復性能實驗展示。四片HKUST-1@Fe3O4-gel用磁鐵可以在5分鐘后又恢復在一起；

(c)：通過溶劑引發方法制備的杯狀反應器； ?(d)：杯狀反應器內表面的SEM圖像；

(e)：C-H鍵氧化催化反應器的圖像展示； ? ? ? (f)：杯狀反應器的催化性能。

圖3：HKUST-1@Fe3O4泡沫的各種機械性能實驗、和HKUST-1片動力催化性能的比較以及泡沫的可回收性能柱狀圖

(a)：HKUST-1@Fe3O4泡沫的抗壓實驗；

(b)：HKUST-1@Fe3O4泡沫被用刀切成薄片，小插圖展示了小薄片的抗彎性能；

(c)：膠帶實驗之后膠帶的表面圖示；

(d)：HKUST-1@Fe3O4泡沫的機械穩定性實驗；

(e)：HKUST-1@Fe3O4泡沫和HKUST-1片動力催化性能的比較，橫坐標為時間，縱坐標為轉化率；

(f)：HKUST-1@Fe3O4泡沫的再生性能。

圖4：六種金屬有機骨架化合物的原子簇、有機鏈、拓撲結構、泡沫樣品以及樣品的掃描電鏡圖片

(a)~(f)分別表示HKUST-1@CMC、ZIF-8@CMC、Mg-MOF-74、Zn-MOF-74、UIO-66、NH2-UIO-66六種泡沫；

圖(ⅰ)表示六種泡沫的金屬原子簇；圖(ⅱ)表示六種泡沫的有機鏈；

圖(ⅲ)表示六種泡沫的拓撲結構； 圖(ⅳ)為六種泡沫的樣品；

圖(ⅴ)和圖(ⅵ)為六種泡沫樣品的掃描電鏡圖像，圖(ⅴ)中為100m比例尺，圖(ⅵ)中為10m比例尺。

【總結】

本文中，研究者們通過HKUST-1@Fe3O4納米顆粒和CMC混合得到磁性液體，繼而轉變為膠體、固體甚至是泡沫，用這種方法制成的MOF泡沫具有優異的機械性能和C-H鍵氧化催化性能以及優異的可再生性能，在可恢復材料領域和薄膜反應器的應用極具潛力。

文獻鏈接：Shaping of metal-organic frameworks: from fluid to shaped bodies and robust foams?（J. Am. Chem. Soc. ，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b06959）

本文由材料人編輯部MOF組木木供稿，材料牛整理編輯。

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