《功能MOFs材料 metal organic framework解析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《功能MOFs材料 metal organic framework解析（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 1 1、什么是、什么是MOFsMOFs材料？材料？ 2 2、MOFsMOFs材料的结构特点材料的结构特点; ; 3 3、MOFsMOFs材料的制备方法材料的制备方法; ; 4 4、 MOFsMOFs材料研究意义。材料研究意义。 功能功能MOFsMOFs材料材料 2 1 1、什么是、什么是MOFsMOFs材料？材料？ MOFs 材料是金属有机骨架金属有机骨架化合物 (Metal-Organic FrameworksMetal-Organic Frameworks)的简称。 3 MOFs 材料是由无机金属中心无机金属中心(金属离子 或金属簇)与桥连桥连的有机配体有机配体通过自组装相互 连接，形
2、成的一类具有周期性网络结构的晶晶 态多孔材料态多孔材料。 4 MOFs 是一种有机-无机杂化材料，也称 作配位聚合物配位聚合物（Coordination PolymerCoordination Polymer），它 既不同于传统的无机多孔材料，也不同于一 般的有机配合物。 5 MOFs材料的主体结构是由次级结构单元次级结构单元 (Secondary Building Unit, SBUSecondary Building Unit, SBU)与有机连接体有机连接体( Linker)之间的相互连接来构筑的，这类材料的孔径孔径 形状以及大小形状以及大小都可以通过选择不同的金属中心金属中心和有有 机
3、配体机配体来实现。 6 MOFs，是指“由配体配体与金属离子金属离子通过配位键配位键连 接形成的无限网络状聚合物材料”，属于“无机-有机 杂化材料”。 MOFs材料兼具无机材料刚性无机材料刚性和有机材料柔韧性有机材料柔韧性 的特征，使其在现代材料研究方面呈现巨大的发展 潜力及诱人的发展前景。 7 8 1 D 1 D 网络网络: : 由金属离子金属离子与桥连配体桥连配体连接而成一维、二维或三维 网络结构。 2 2、MOFsMOFs材料的结构特点材料的结构特点 9 2Ni(NO2Ni(NO 3 3 ) ) 2 2 . . 6H6H 2 2 O + bpe + N(CN)O + bpe + N(CN
4、) 2 2 - - Ni(bpe) Ni(bpe) 2 2 (N(CN)(N(CN) 2 2 (N(CN)(N(CN) 2 2 )(5H)(5H 2 2 O)O) n n bpe 2 D 2 D 网络网络: : 10 3 D 3 D 网络网络: : 11 3 3、制备、制备MOFsMOFs材料的方法材料的方法 12 2.1 2.1 自由金属离子与桥连配体的自组装自由金属离子与桥连配体的自组装 13 2Ni(NO3)2.6H2O + bpe + N(CN)2- Ni(bpe)2(N(CN)2N(CN)25H2On bpe 14 A major advantage of this approach
5、 is that the manipulations are very easy. A major disadvantage of this approach is that the outcomes are often difficult to be predicted since no control is applied on the many factors affecting the structure of a MOF. Factors affecting the structure other than the metal and the linker: (1) counteri
6、ons, (2) templates (the presence of which within the structure is necessary for its formation), (3) solvents or nonbonding guests, (4) Auxiliary ligands, (5) pH value, (6) hydrothermal/ solvothermal conditions 15 2.2 2.2 保护性配体法保护性配体法 利用保护性配体保护性配体预计金属离子形成的配合物与桥 连配体组装成MOFs： 保护性配体对所形成MOFs的 结构具有控制作用 16
7、2.3 2.3 次级构筑单元法次级构筑单元法 次级构筑单元 ( secondary building unit = SBU) 当桥连配体与金属离子共聚合时, 常能在所形成的结 构中识别出簇合体，这些簇合体被称为次级构筑单元 。 次级构筑单元仅仅是概念上的单元，在原料 中并不包含这样的单元。 17 Zn4O(BDC)3n8n(DMF)(C6H5Cl) MOF: (a) Zn4O 单元 (Zn: filled circles) linked to six O2C units of BDC groups (C: shaded circles). (b) The same with four ZnO4
8、 tetrahedra shaded. (c) The same with the C6 octahedron shaded. (d) The BDC anion (O: open circles, C: shaded circles). (e) The link (the phenyl of the BDC anion). 18 19 20 网络结构被看作是由-C6H4- 基团连接八面体形 (Zn4O)(O2C)6 次级结构单元而成的. 21 利用次级结构单元次级结构单元概念可以： (1) 理解MOFs结构 (2) 预测MOFs结构 (3) 设计与合成具有特定结构的MOFs 22 次级结构单
9、元可以在 MOFs 中导致大的孔洞: 因为在 SBUs的中心之间有很长的距离 23 2.4 2.4 含金属配体含金属配体 （MLsMLs）法）法 带有两个或更多能向金属离子配位的配位位置的配合 物，这样的配合物能够将其它的金属离子连接起来。 24 MOFs材料的研究不仅在于其迷人的拓扑结构迷人的拓扑结构, 更在于它具有可剪裁性可剪裁性和结构多样性结构多样性的特点，易于 进行设计组装和结构调控，为设计纳米多孔材料纳米多孔材料提 供了一种的可行方法。正是由于MOFs 材料多方面 的优点和用途，其正受到越来越多的重视。新型结 构MOFs 多孔材料的研究及其在应用方面的开发具 有重要的理论和应用价值。
10、 4 4、MOFsMOFs材料研究意义材料研究意义 25 目前，国际上许多化学家、物理学家和材料学 家的研究结果表明，MOFs 多孔材料在气体的储存气体的储存 、催化剂催化剂、分离分离及光电磁材料光电磁材料等方面具有重要的应 用价值。 另外，金属位在大量的分子识别过程中起关键 性的作用，因为金属位能产生高度的选择性和分子 的储存和传送。 MOFs材料经常具有不饱和金属位和大的比表 面积，这在化学工业化学工业有着广阔的应用前景。 26 当前, MOFs材料是化学、能源、环境和材料等多 学科共同关注的研究热点和前沿，有关研究的结果 被大量发表在 Science、Nature、Nature Mate
11、r.、 Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc. 等国际顶 级期刊上。 这类材料在能源、环境污染治理、纳米材料、 光电功能材料、医药、化工等很多领域具有广阔的 应用前景，有望在解决人类社会所面临的许多重大 问题的过程中发挥重要作用。 27 将氢能氢能用在汽车上是解决石油紧缺石油紧缺的重要途径 ，设计燃料箱，即氢气的存储氢气的存储则是其关键问题，目 前解决这一问题的方法效果都不理想。 新近文献报道了一种MOFs多孔材料，在77K时 不加压条件下，其部分区域可以比迄今为止任何材 料吸附更多的氢，这为氢能的广泛应用展示了光明 的前景。 28 MOF-74结构中存
12、储着管状的重氢分子。灰色代表碳 原子，蓝色代表锌离子，绿色代表重氢（氘）分子。 29 通过学校图书馆的ACS及RSC数据库，任选一 篇关于MOFs材料的光、电、磁、吸附、催化等性 能方面的研究论文，仔细研读后，写出一篇不少 于200字的读后感。 课后作业课后作业 30 MOFsMOFs材料设计原理材料设计原理 31 MOFs 包括两个重要的组分：结点结点（connectors, 网络结构中的节点）和联接体联接体（linkers,联接网络结构 结点间的化学键或包含多个化学键的有机官能团）。 在多孔MOF中，人们通常把金属离子金属离子看作为结点结点，配配 体体作为联接体联接体。 32 由于MOFs
13、的网格结构网格结构可以看作是各自具有不同 连接数的配体配体（联接体）和金属离子金属离子结点间的组合 ，因此，金属离子的配位构型金属离子的配位构型和配体的几何构型配体的几何构型对 于所形成的多孔MOFs的结构和性能结构和性能起决定性的作用 ，所以，构筑MOFs时首先要考虑配体的几何构型配体的几何构型和 金属离子的配位构型金属离子的配位构型的倾向性，因为所产生的网格 结构的基本类型主要依赖于它们的对称性和成键点 的数量。 33 配体是骨架的重要组成部分，可以分为单齿配单齿配 体体和多齿配体多齿配体，它是具有构件作用的分子或离子， 控制着金属离子之间的距离金属离子之间的距离和配合物的维数配合物的维数
14、。 由于配体本身具有特定的结构和不同的配位方 式，在不同的合成条件下，即使相同的配体与金属 离子的配位模式也是不一样的。 1. 1. 有机配体的选择有机配体的选择 34 选择合成MOFs 的有机配体应至少含有一个一个 多齿基团多齿基团或含有多个单齿配位原子多个单齿配位原子，如CO2H、 PO3H、SO3H 和吡啶基等。 单齿配体单齿配体合成的骨架结构比较简单，但稳定 性较差。 多齿配体多齿配体的配位情况比较复杂，得到的配合 物稳定性较好。 有机配体主要包括羧酸类、氨类、吡啶类、 醇类和腈类等。常见的中性配体为含氮杂环类化 合物。 35 构筑MOFs 的另一要素是金属离子金属离子。金属离子在 构
15、筑配位聚合物中充当连接配体的结点结点，不同金属离 子具有不同的配位数和配位构型配位数和配位构型，因而在构筑MOFs 中起着不同的连接作用。 近几年，除过渡金属离子过渡金属离子外, 稀土金属离子稀土金属离子尤其是 镧系金属离子开始被使用，它们的配位数较高, 为7、8 或9配位, 可以形成具有丰富多彩结构的MOFs。 2. 2. 金属离子的选择金属离子的选择 36 尽管设计具有一定功能的多孔MOFs比较简单， 但在实际的合成中却很难控制其结构，主要问题主要问题是 ： 当客体分子移走后,合成的骨架容易坍塌； 骨架网络的相互贯穿（interpenetration） 现象，即两个或两个以上的独立无限网络通过物理 作用互相交织在一起而形成一个分子整体。相互贯 穿会导致孔径大幅度减小甚至完全消失，为了避免 贯穿结构，人们对结点和联结体进行了精心的设计 ，虽然采取了很多方法避免相互贯穿，但最终的结 构还是很难控制。
