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金属 - 有机骨架材料（ MOFs ） —— 多孔材料家族的新成员

Seminar Ⅰ. 金属 - 有机骨架材料（ MOFs ） —— 多孔材料家族的新成员. 报告人： 王浚英 导 师： 邵志刚 研究员 报告 时间： 2011-11-11. 目 录. MOFs 材料简介 制备方法 应用 领域 小结与展望 参考文献. 一. 二. 三. 四. 五. MOFs 材料简介. 周期性网状骨架的多孔材料. 金属离子. 自组装. 配位. 有机配体. 20 世纪 90 年代中期，第一代 MOFs 材料被合成出来. 孔径和稳定性受到一定限制.

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金属 - 有机骨架材料（ MOFs ） —— 多孔材料家族的新成员

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Presentation Transcript

  1. Seminar Ⅰ 金属-有机骨架材料（MOFs） ——多孔材料家族的新成员 报告人： 王浚英 导 师： 邵志刚 研究员 报告时间：2011-11-11

  2. 目 录 MOFs材料简介 制备方法 应用领域 小结与展望 参考文献 一 二 三 四 五

  3. MOFs材料简介 周期性网状骨架的多孔材料 金属离子 自组装 配位 有机配体 • 20世纪90年代中期，第一代MOFs材料被合成出来 • 孔径和稳定性受到一定限制 • 1999年，Yaghi等人合成具有三维开放骨架结构的MOF-5 • 去除孔道中的客体分子后仍然保持骨架完整 • 2002年，Yaghi科研组合成IRMOF系列材料 • 实现MOF材料从微孔到介孔的成功过渡 • 2008年，Yaghi研究组合成出上百种ZIF系列类分子筛材料

  4. MOFs材料简介 • 气体储存 • 吸附分离 • 催化 • 光学材料 • 磁性材料 • 药物传输 • … … 比表面积大 孔道可调控 可功能化

  5. 制备方法

  6. 制备方法——原位溶剂热法 自组装膜修饰基底 MOF-5 自组装膜 设备简单 对合成条件敏感 自组装层影响膜性能 基底Au Hermes, S. et al. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 13744-13745

  7. 制备方法——晶种法 把晶体的成核和生长过程分离开 → 更好地控制晶体的生长和膜的微结构 Liu, Y., et al. J. Membr. Sci. 2011, 379, 46-51.

  8. 制备方法——晶种法 MOF晶种——α-磷锌矿 晶体合成 晶膜制备 功能化 三维表面成膜 选择性催化 α-磷锌矿具有促使MOF-5成核的特殊功能 Falcaro, P. et al. Nat. Commun., 2011, 2, 237.

  9. 制备方法——微波法 溶剂热 二次生长 微波 快速结晶 节约制备时间 晶体颗粒较小 微波法30s 微波辅助快速晶种法 Yoo, Y.et al. MicroporousMesoporousMater., 2009, 123, 100-106 Yoo, Y. et al. Chem. Commun., 2008, 21, 2441-2443

  10. 制备方法——分层法 分层法图解 • 高度有序、均匀、平整的MOF膜 • 实现晶体的高度取向性 • 合成其他方法无法得到的MOF结构 Shekhah, O. Materials, 2010, 3, 1302–1315 Shekhah, O. et al. Nat. Mater., 2009, 8, 481-484

  11. 应用领域——气体储存 MOF-177 突破DOE储氢目标： 7.5wt.% CD-MOF-2 CO2 PCN-14 超过DOE室温体积CH4 储存目标（180v/v） 28% 11 Furukawa, H. et al. J. Materi. Chem., 2007, 17, 3197-3204 Gassensmith, J. J. et al. J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 15312–15315; Ma, S. et al. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 1012-1016

  12. 应用领域——吸附分离 分离系数： 34.9-40.1 透量： 6.4-8.6 kgh-1m-2 ZIF-8吸附异丁醇过程中的“gate-opening”效应+表面超疏水性 →优先透过醇类大分子而阻止水分子的高性能ZIF-8纳米复合膜 Liu, X.-L. et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 1-5

  13. 应用领域——催化 在MOF中构建特殊催化位点的方法

  14. 应用领域——催化 水氧化和光催化剂 MOFUiO-67 Ir、Re或Ru的复合物 分子催化与MOF材料相结合 为光催化提供一种新的异相催化剂 Wang, C. et al. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 13445-13454

  15. 应用领域——发光材料 选择合适的配体或金属离子，可使MOFs具有发光性能 生色团 溶剂不同→结构不同→荧光性不同 Bauer, C.A. et al. J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 7136

  16. 应用领域——其他 • 磁性材料 顺磁性、反磁性 • 传感器 客体影响MOFs光学和磁学性能 • 药物传输 药物包埋→孔口修饰官能团→在不同的外界条件下打开或关闭孔口→药物控制释放 • ……

  17. 总结及展望 不同领域的科学家 相互合作 开发MOF的综合性能 功能化材料 MOFS晶体尺寸、形状和取向的可控生长 高质量连续生长、均相无缺陷的MOFs膜

  18. 参考文献 • 1. C. Wang, Z. Xie, K. E. deKrafft et al. Doping MetalOrganic Frameworks for Water Oxidation, Carbon Dioxide Reduction, and Organic Photocatalysis. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 13445-13454 • 2. J. J. Gassensmith , H. Furukawa, R. A. Smaldone et al. Strong and Reversible Binding of Carbon Dioxide in a Green MetalOrganic Framework. J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 15312-15315 • 3. P. Falcaro, A. J. Hill, K. M. Nnairn et al. A new method to position and functionalize metal-organic framework crystals. Nat. Commun., 2011, 2, 237-244 • 4. X.-L. Liu, Y.-S. Li, G.-Q. Zhu et al. An OrganophilicPervaporation Membrane Derived from Metal–Organic Framework Nanoparticles for Efficient Recovery of Bio-Alcohols. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 1-5 • 5. Y. Liu, G. Zeng, Y. Pan et al. Synthesis of highly c-oriented ZIF-69 membranes by secondary growth and their gas permeation properties. J. Membr. Sci., 2011. 379, 46-51 • 6. O. Shekhah, Layer-by-Layer Method for the Synthesis and Growth of Surface Mounted Metal-Organic Frameworks (SURMOFs). Materials, 2010, 3, 1302–1315 • 7. O. Shekhah, H. Wang, M. Paradinas et al. Controlling interpenetration in metal–organic frameworks by liquid-phase epitaxy. Nat. Mater., 2009, 8, 481-484 • 8. Y. Yoo, Z. Lai, and H.-K. Jeong, Fabrication of MOF-5 membranes using microwave-induced rapid seeding and solvothermal secondary growth. MicroporousMesoporousMateri., 2009, 123, 100-106 • 9. S. Ma, D. Sun, D. M. Simmons et al. Metal-Organic Framework from an Anthracene Derivative • Containing Nanoscopic Cages Exhibiting High Methane Uptake. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 1012-1016

  19. 参考文献 • 10. Y. Yoo, and H.-K. Jeong, Rapid fabrication of metal organic framework thin films using microwave-induced thermal deposition. Chem. Commun., 2008, 21, 2441-2443 • 11. C.A. Bauer, T.V. Timofeeva, T.B. Settersten, B.D. Patterson, V.H. Liu, B.A. Simmons, M.D. Allendorf. Influence of Connectivity and Porosity on Ligand-Based Luminescence in Zinc Metal-Organic Frameworks. J. Am. Chem. Soc. 129 (2007) 7136. • 12. H. Furukawa, M.A. Miller, and O.M. Yaghi, Independent verification of the saturation hydrogen uptake in MOF-177 and establishment of a benchmark for hydrogen adsorption in metal-organic frameworks. J. Materi. Chem., 2007, 17, 3197-3204 • 13. S.Hermes, F. SchrÖder, R. Chelmowski et al. Selective Nucleation and Growth of Metal-Organic Open Framework Thin Films on Patterned COOH/CF3-Terminated Self-Assembled Monolayers on Au(111). J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 13744-13745

  20. 谢谢！

  21. 附图Ⅰ Wang, C. et al. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 13445-13454

  22. 附图Ⅱ Wang, C. et al. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 13445-13454

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