MOF獲助攻——解鎖分離氧氣新技能

材料牛注：美國太平洋西北國家實驗室的研究團隊將MOF（金屬有機框架）和助手分子二茂鐵復合，利用鐵原子與氧反應實現穩定分離氧氣。該復合材料制備過程簡單，造價低廉，重復使用率高，具有廣闊的應用前景。

工廠通常使用低溫蒸餾法分離氧氣，此方法成本高昂且需要消耗很多能量來冷卻氣體。目前美國太平洋西北國家實驗室（PNNL）的研究團隊研發出了一種以MOF為主體的復合材料，可重復用于氧氣分離，應用前景很廣泛：包括為燃料電池提供純氧、用于食品包裝抽氧、制作氧傳感器等。

當然，復合材料的思路也不是一下子就得到的。研究人員最初使用各種MOFs分離氧氣時，MOFs會與氧氣發生反應形成氧化物，導致材料重復使用率很低。美國能太平洋西北國家實驗室（PNNL）的材料科學家Praveen Thallapally認為，應該有更好的方法分離氧氣，并且可重復使用。

Thallapally和同事于是想到了制備復合材料的點子，通過在MOF中添加助手分子來實現氧氣的分離。這種助手分子應該能吸附在MOF上，不與MOF發生反應，但能和氧氣反應，從而達到分離的目的。這個想法是此項研究的關鍵。

對于MOF，研究人員選擇了一種叫做MIL-101的MOF，它內部存在大量孔洞，導致表面積超大——一湯匙MIL-101的表面積可以媲美一個足球場，具有杰出的吸附效應，同時它反應活性低，在室溫和實驗室的開放環境下均可穩定存在；對于助手分子，Thallapally和同事使用了一種廉價的含鐵分子——二茂鐵，它可吸附于MOF的孔洞內，與氧氣反應達到分離氧氣的目的。

而這種復合材料的制備方法也超級簡單，只需將MIL-101和二茂鐵混合然后加熱即可。同時研究人員還測試了它分離氧氣的能力，發現它可以捕獲大部分的氧氣，卻幾乎不吸收氮氣、氬氣和二氧化碳，而且不管是氧氣單獨通過還是混合其它氣體一起通過，該材料都表現出吸氧行為，這表明它可以將氧氣從其他氣體中分離。

進一步分析發現，加熱會導致二茂鐵在MOF孔洞內分解，形成納米團簇，有助于鐵原子和氧氣反應，在MOF孔洞中形成穩定的磁赤鐵礦。這種磁赤鐵礦可以從MOF中去除，使材料可重復使用。MOF在助手分子的幫助下能獲得意想不到的效果，比如凈化氧氣。

關于MOF與助手分子的其他組合將會被進一步研究。此外，除了太平洋西北國家實驗室，阿貢國家實驗室和荷蘭阿姆斯特丹大學的研究人員也參與了此項研究。目前，該工作已被Advanced Materials正式報道，

文獻地址詳見如下：Redox-Active Metal–Organic Composites for Highly Selective Oxygen Separation Applications

新聞來源：MOF gets a little help from a friend

本文由新銳萬鑫浩翻譯，張藝審核，感謝楊志濤提供素材。