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绿色化工新星:金属-有机框架材料的研究与应用丨Engineering

   日期:2024-02-19 03:49:39     来源:网络整理    作者:本站编辑    浏览:14    评论:0    

本文选自中国工程院院刊 Engineering 2021年8月刊,原文出自:An Overview of Metal–Organic Frameworks for Green Chemical Engineering(绿色化工应用导向的金属-有机框架材料研究概述)

引言

快速的工业化进程导致当今全球性的能源和环境危机。以推动科技进步、解决相关挑战为目标,发展新型功能材料的重要性与日俱增。近年来,金属-有机框架(MOF)以及MOF衍生物材料引起了广泛关注,促使研究人员继续进行其结构设计和应用性能方面的探索。MOF材料的制备、表征和加工成型是实现其工业应用的基础,研究人员围绕这些主题已经开展了大量的工作。以绿色化工应用为导向,充分发挥功能性优势,推动MOF材料大规模的工业应用也应当被提上日程。在解决实际问题的过程中,许多经典MOF表现出了相对传统材料的优越性。北京工业大学李建荣研究团队从MOF化学中的基本概念出发,讨论MOF材料的工业合成进展及其在多个领域中的应用现状;旨在提供一个系统的研究概述,引导研究者逐渐将设计思路从学术研究转向实际应用。在成本、规模化生产、加工成型和稳定性等挑战被逐一突破之后,MOF及其衍生物材料有望走进工厂,成为人们日常生活中的一部分,进而为人类创造一个基于绿色生产和生活方式的新时代。

实施节能减排的巨大压力和公众环保意识的不断增强,已成为21世纪初的显著特征。绿色化工,这一相对较新的工业领域,在缓解重大环境问题方面备受推崇,因为它所提倡的化学产品和工艺流程能够减少和(或)消除有害物质的使用和产生。这种广受欢迎的技术革新需要有竞争力的目标产品,以满足市场对纳米和微观尺度最终用途性能的需求,以及环境对可持续的中观和宏观尺度工艺流程的需求。绿色化工的崛起凸显了开发可作为多种应用平台的新型多用途功能化材料的必要性。
金属-有机框架(MOF)由无机节点(金属离子或簇)和有机配体构筑而成,因其结构多样、性能独特和功能可适配性,尤其在绿色化工领域的应用而备受关注。过去几十年里,MOF在设计、合成、表征、性能和应用探索等方面发展迅速。与传统无机材料不同,通过仔细选择构筑单元并结合相适应的功能,MOF的组成、形貌、孔隙特性和功能可以得到精准把控,这极大拓展了它们的应用范围,也提高了其在特定应用中的效率。
北京工业大学李建荣研究团队从MOF的合成及其在绿色化工中的应用等方面进行了简要介绍。在本研究中,他们主要介绍了:①MOF的合成和放大制备方法;②MOF结构表征和稳定性测试的一般方法、提高稳定性的策略和加工方法;③多个具有代表性的前沿领域中,许多性能良好的MOF很适合潜在的工业应用,这将反过来指导新材料的探索;④MOF商业化和产业化实施的可行性分析;⑤学术研究和实际应用前景。
通过合理选择无机和有机成分可以对MOF的构筑提供广泛的合成范围,并允许微调这些晶体框架的结构特性。MOF相对于传统材料的优势很大程度上依赖于它们由构筑单元组装而成的结构,这些结构轮廓分明、高度多孔,可以通过精细的设计对其进行精确的化学改性。在对MOF进行深入研究的前20年中,全世界的研究人员收集了大量的学术知识,并且都熟练掌握了计算和实验工具。
幸运的是,对这些精细产品的研究已经逐渐从仅限于实验室规模的方法论研究发展到材料、能源和环境研究。作为这种转变的一部分,感兴趣的先驱者已经开始生产实际使用的商业产品。稳定性和性价比是MOF在绿色化工界应用的两个主要参数。未来的趋势将涉及使用简便、绿色和经济的方法制备坚固的MOF和基于MOF的器件,并且使其能够大量满足工业要求。近年来,许多新型功能性MOF不断发展,并将很快投入实际应用,研究人员认为MOF能够在不久的将来与现在常用的工业材料竞争,从而缓解全球对能源和环境的压力,并确立其对于现代社会的必要性。MOF多样化的应用(图1),几乎涵盖了生产和日常生活的方方面面,说明人们对MOF发展的兴趣不断提升,因而MOF发展的机遇巨大。

图1. (a)不同形状的MOF材料;(b)德国巴斯夫的MOF大规模生产设施。

关键词:金属-有机框架(MOF);应用;绿色化工

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原文链接:http://www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2021.07.001

以上内容来自:Xiang-Jing Kong,Jian-Rong LiAn Overview of Metal–Organic Frameworks for Green Chemical Engineering  [J]. Engineering, 2021, 7(8):1115-1139.

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