金属有机骨架用于气体存储、吸附分离的研究进展

金属有机骨架(MOFs)由于具有大比表面积、高孔隙率、可调孔径、结构多样、开放的金属位点和化学可修饰性等诸多优点而被广泛用于气体的吸附分离研究。本文对近年来MOFs在气体存储、吸附分离领域的研究进展进行了综述,讨论了不同MOFs对氢气、甲烷的存储性能和存储机理及对二氧化碳、低碳烃等的分离性能和吸附机理,指出MOFs材料的比表面积、孔结构、金属位点、π-π键合作用、可修饰基团等是影响不同MOFs吸附分离过程的重要参数。有目的的功能化改性是提高MOFs材料选择性吸附分离性能的有效方法,但目前仍普遍存在存储吸附性能不够、稳定性不强、成本过高等问题,只有解决这些问题才能使MOFs大量从实验室走向工业化。     

基于MOFs材料的低碳烃（C1~C3）分离研究进展

低碳烃（C₁~C₃）混合物的分离和纯化是化工过程中最重要且耗能最大的过程单元之一,开发温和条件下低能耗高选择性吸附分离C₁~C₃分子的固体吸附材料迫在眉睫。金属有机框架材料（MOFs）作为一类相对新颖的多孔有机-无机杂化材料,因其可控的拓扑结构和多样的化学微环境,在低碳烃分离和纯化领域受到广泛关注。本文概述了MOFs作为分离和纯化低碳烃气体吸附剂的特性,重点关注了MOFs材料在C₁（CO₂/CH₄）、C₂、C₃烯/烷烃以及烯/炔烃分离领域的应用进展。首先归纳了MOFs材料在C₁~C₃烃类物质分离过程中的三种常见分离机制,并据此回顾了近年来MOFs材料对常见C₁~C₃烃类分子的吸附及分离性能;分析了MOFs材料在C₁~C₃烃类物质分离过程中的构效关系,总结了MOFs材料的孔道尺寸/形状、骨架柔性和表面功能的调控理念与方法,并提出MOFs材料成本高、水热稳定性差、主客体关系难以精准探测等制约其应用发展的现状。文章指出未来研究重点为开发低成本多样化专一性的新型配体,构造复合型吸附剂,并明确吸附分离过程中分离体系主客体性质,为MOFs材料用于低碳烃分离的定向设计提供了探索方向。     

分子动力学模拟不同类型MOFs材料对NO_2气体扩散影响

利用分子动力学模拟考察了不同浓度条件下NO_2气体在金属有机骨架材料(MOFs)中的自扩散速率,并讨论了气体自扩散速率与材料结构之间的关系。研究结果表明NO_2气体在IRMOF系列材料、具有开放金属位点的MOFs材料和ZIF系列材料中的自扩散系数随着气体浓度增加先升高后降低;在MIL系列材料中的自扩散系数仅随着气体浓度增加而降低。其扩散性能主要受材料最小孔径和孔隙率影响,在同系列材料中最小孔径和孔隙率越大,NO_2气体的自扩散系数越大。其中NO_2气体在IRMOF-9、Mg MOF-74、ZIF-3、MIL-47和MIL-53Crht等材料中均具有较好扩散性能。通过气体分子在材料中的径向分布函数图、模拟轨迹等探讨了气体在MOFs材料中的扩散机理。研究发现MOFs材料金属簇吸附性能的强弱影响NO_2气体随浓度变化的自扩散系数曲线。同时研究了无限稀释条件下NO_2气体在MOFs材料中的自扩散系数D(0),从而获得NO_2在MOFs材料中的活化能。     

高能所在VOCs检测领域取得进展

正近日,中国科学院高能物理研究所多学科中心李敏团队与广西大学研究人员合作在挥发性有机化合物(VOC)检测研究领域取得进展。研究人员发现金属有机骨架(MOFs) MIL-100(Fe)材料对VOCs分子具有吸附拉曼增强效应,其对甲苯和丙酮的吸附检测性能显著优于传统气体传感器。MOFs对VOCs的吸附呈现"阵列分辨传感"特性,能够实现对多种VOCs的传     

MOF复合材料在气体吸附分离中的研究进展

作为一种新型多孔材料,金属有机骨架（metal-organic framework, MOF）材料因其具有高孔隙率、大比表面积、孔尺寸高度可调、结构多样等优点,近年来在气体吸附与分离领域显示出广阔的应用前景。然而,在MOF材料的工业化进程中,仍存在稳定性差等问题需要解决。将MOF材料与其他功能材料进行复合,实现不同材料间的协同效应,在保证吸附分离性能的同时,显著提升MOF材料的结构稳定性。本综述概述了MOF基复合材料的构筑策略,与MOFs构筑复合材料的材料,包括碳基材料、离子液体、MOFs、分子筛等。分析了各种MOF复合材料在气体吸附与分离领域的应用进展,并对该研究方向进行了展望。     

烧结金属有机骨架材料制备多孔材料及其应用

金属有机骨架材料(MOFs)作为近十年来新兴的配位化合物,具有有序的孔道结构、大比表面积、高的空隙率和,其结构和性质可调性,可应用于气体储存和分离、催化等方面。但是由于MOFs相对较差的稳定性,其大规模工业应用受到限制。目前,研究们试图将其这一缺点利用起来,如将MOFs进行烧结,将裂解后的材料用于气体吸附、电化学催化、锂电池、传感器、燃料电池中的氧气还原反应等等方面。本文对烧结MOFs制备多孔材料及其应用进行了归纳总结。     

多级孔金属有机骨架材料的合成及其在生物医药中的应用研究进展

金属有机骨架（metal-organic frameworks,MOFs）是多孔材料领域的研究热点之一。MOFs具有高比表面积和孔道均一等特点,但微孔MOFs在大分子应用领域受到限制。本文介绍了延长配体法、模板剂法和聚合物法等多种制备多级孔MOFs的方法,合成后的多级孔MOFs兼具微孔、介孔和大孔,能够参与大分子反应,同时具有水热稳定性和化学稳定性,在催化、气体吸附分离、储能材料等诸多领域表现出优异性能。本文重点介绍了多级孔MOFs在生物医药领域的研究进展,结果表明多级孔MOFs是一种孔道可调节、可在特定条件下分解的生物相容性材料,用于固定化酶和负载医药分子均表现出良好性能。最后讨论了多级孔MOFs材料制备和应用目前存在的问题与挑战,展望了多级孔MOFs材料作为一类新型功能化多孔材料的应用前景。     

沸石咪唑骨架膜的制备及其应用进展

近年来,将金属-有机骨架材料(MOFs)和膜基材料结合,制备新型MOFs分离膜成为膜领域研究的热点之一。由于MOFs具有类似分子筛结构和空间拓扑结构,在分离、催化等方面具有潜在的应用前景。沸石咪唑框架材料(ZIFs)作为MOFs中重要分支之一,因其具有优异的热稳定性和化学稳定性被应用于膜分离。本工作重点阐述了原位生长、界面反扩散、逐层组装、二次生长、气相沉积和微流体处理等方法制备ZIFs多晶膜和杂化膜,并系统介绍了ZIFs复合膜在染料与重金属离子去除、气体分离、天然气净化、生物医药和电化学传感中的应用。最后,总结了ZIFs复合膜制备过程中存在的问题和挑战,并对ZIFs复合膜未来研究的方向提出了展望。     

水蒸气对MOFs材料吸附分离混合气影响的研究进展

实际工业过程中混合气的分离通常会受到水蒸气的影响,所以选择合适的固体吸附剂很重要。金属有机骨架(MOFs)材料是一类具有高比表面积、孔径可调等特点的新型材料。不同类型的MOFs材料与水的作用力不同,因此,水蒸气的存在对于该类材料的气体吸附和分离能力有着不同的影响。本文对近年来水蒸气对MOFs材料的气体吸附和分离影响的研究进行讨论。     

金属有机骨架材料（MOFs）用于气态轻烃的高效分离研究进展

气态轻烃（C₁～C₃）如甲烷、乙烯、丙烯分别作为应用最广的清洁燃料和大宗化工产品，在国民经济中占据重要的地位。然而，在其生产过程中广泛存在着分离与提纯能耗较高的问题。金属有机骨架材料（MOFs）作为第三代新型多孔材料，近年来在轻烃分离领域显示出巨大的应用潜力。本文综述了MOFs用于气态轻烃分离的现状和机理，总结了本文作者课题组针对不同轻烃产物的分离要求，对MOFs进行了精确的孔径调控、配体功能化修饰、构筑吸附位点、调变柔性结构“开口压力”等，实现了多种气态轻烃组分的高效分离。最后，针对低碳烃工业分离过程中存在的关键问题，对MOFs材料的吸附分离机理进行了深入分析，以及MOFs工业化应用所面临的结构稳定性与分离工艺匹配等进行了展望。     

金属有机框架材料吸附分离水中铀的应用

金属有机框架材料（metal-organic frameworks,MOFs）具有极高的比表面积和孔隙率,结构可设计调控,但在水相吸附分离方面存在水稳定和选择吸附性较差、分离困难、合成与再生成本偏高等问题。针对MOFs的缺陷,可以通过有目的的功能化改性从而提升其对目标污染物的吸附性能。本文介绍了MOFs的结构优势,分析了水稳定性的影响因素和判断手段,简述了具有代表性的高水稳定性MOFs材料的特性;根据MOFs改性方法的分类回顾了MOFs及改性MOFs在去除水相中放射性铀的应用;基于不同分析技术探讨了MOFs与铀酰离子的吸附机理;提出推动MOFs在吸附铀方面规模化应用发展的核心是合成高稳定性MOFs,通过改性提高MOFs的选择吸附性能和再生性以及深入研究吸附机理。     

己烷异构体吸附分离材料研究进展

己烷异构体的高效分离是石化行业生产高辛烷值汽油的关键过程之一。己烷异构体分子的化学性质不活泼,极化率、沸点相近,分离极具挑战。目前,基于5A分子筛的吸附分离技术在工业上得到了广泛应用,但5A分子筛的吸附容量较低,且无法实现单支链异构体与双支链异构体的选择性分离,限制了汽油辛烷值的进一步提高。金属-有机框架材料等新型多孔材料的结构多样性和高度可设计性使其可以精准识别异构体分子在形状和性质上的微小差异,展现出良好的分离性能和应用前景。重点综述了金属-有机框架材料在己烷异构体分离中的研究进展,归纳了分离机理和影响因素,并对该领域中存在的问题和未来发展方向进行了探讨。     

金属有机骨架材料用于吸附分离CH4和N2的研究进展

非常规天然气的利用不仅可以有效缓解常规天然气不足带来的能源问题,而且可以降低其肆意排放带来的温室效应,无论是低浓度煤层气的提浓还是低品质天然气的提质都需要解决甲烷与氮气的分离难题。基于金属有机骨架（MOFs）材料结构和功能均呈多样化的特色,本文主要从CH₄选择型MOFs吸附材料和N₂选择型MOFs吸附材料两个方面,综述了近年来MOFs材料在CH₄与N₂吸附分离方面的研究进展,讨论了影响二者分离的影响因素,并对吸附与分离机理与MOFs结构和性能关联进行了详细的总结与分析,提出了CH₄与N₂选择性提升的方法,即需要合适的孔道尺寸与弱极性表面性质或有利骨架结构的协同作用,最后展望了MOFs材料在甲烷富集和纯化领域的应用前景和发展趋势。     

疏水性金属-有机骨架材料的研究进展

金属-有机骨架（metal-organic frameworks, MOFs）材料是一种由金属离子和有机配体通过自组装形成的新型多孔材料，具有优异的物理及化学性能，因而在气体吸附储存、气体分离以及工业催化等方面表现出良好的应用潜力。但在应用的过程中，无处不在的水分子会影响MOFs骨架的稳定性和吸附性能，极大地制约了其实际应用。本文介绍了近年来疏水性MOFs材料的研究进展，重点论述了金属离子和有机配体对调控MOFs亲疏水性的影响以及通过配体后修饰和疏水性物质复合等提高疏水性的方法，分析了MOFs材料的亲疏水性机理，同时提出了实验结合计算机模拟技术筛选疏水性MOFs的手段。最后，指出目前疏水性MOFs材料合成存在的问题及解决方法，期望为今后拓宽MOFs材料在高湿环境中的应用提供一些有用的参考。     

Large-scale simulations of CO2 diffusion in metal-organic frameworks with open Cu sites

Understanding CO₂ diffusion behavior in functional nanoporous materials is beneficial for improving the CO₂ adsorption, separation, and conversion performances. However, it is a great challenge for studying the diffusion process in experiments. Herein, CO₂ diffusion in 962 metal-organic frameworks (MOFs) with open Cu sites was systematically investigated by theoretical methods in the combination of molecular dynamic simulations and density functional theory (DFT) calculations. A specific force field was derived from DFT-D2 method combined with Grimme's dispersion-corrected (D2) density functional to well describe the interaction energies between Cu and CO₂. It is observed that the suitable topology is conductive to CO₂ diffusion, and 2D-MOFs are more flexible in tuning and balancing the CO₂ adsorption and diffusion behaviors than 3D-MOFs. In addition, analysis of diffusive trajectories and the residence times on different positions indicate that CO₂ diffusion is mainly along with the frameworks in these MOFs, jumping from one strong adsorption site to another. It is also influenced by the electrostatic interaction of the frameworks. Therefore, the obtained information may provide useful guidance for the rational design and synthesis of MOFs with enhanced CO₂ diffusion performance for specific applications.     

应用于烟气中CO2捕集的固体吸附材料研究进展

固体吸附法捕集二氧化碳技术具有吸/脱附性能优良、设备轻便灵活、环保和低成本的优势，被认为是实现电厂烟气中碳捕集最具前景的技术之一。国内外学者对于可应用于电厂烟气中二氧化碳捕集的固体吸附材料开展了大量的研究并取得一定进展。该文综述了近些年沸石分子筛、金属有机框架材料（MOFs）和活性炭（ACs）等吸附材料的研究现状；归纳并分析了各类吸附材料的应用优势和在工程应用中存在的问题；总结了各类材料吸附性能的主要影响因素和吸附机理等。最后，展望了固体吸附材料的发展方向。     

An approach for predicting intracrystalline diffusivities and adsorption entropies in nanoporous crystalline materials

Confinement of molecules in nanoporous crystalline materials results in the unique and diverse characteristics of intracrystalline diffusion and adsorption, which can significantly affect the efficiency of gas separation and/or catalysis. However, understanding the interplay between confinement and intracrystalline diffusion and adsorption remains elusive at the quantitative level. In this work, it is found that the intracrystalline diffusion could be related to the hopping rate, which might be further connected to the translational and rotational motion of molecules and quantified by corresponding partition functions. Based on this analysis, the correlations capable of predicting the intracrystalline diffusivity and the adsorption entropy are developed. It is shown that the correlations can well capture the experimental and simulation results of more than 20 frameworks, including zeolites and MOFs, for a wide range of guest molecules. This approach can potentially serve as rapid screening tool for nanoporous crystalline materials in gas separation and catalysis.     

MIL系列MOFs材料的合成及应用研究进展

金属有机骨架（Metal．OrganicFrameworks,MOFs）材料是一种新型功能材料。MIL系列材料作为MOFs材料的典型代表之一,有着广泛的应用前景。文章讨论了MIL系列材料的合成方法,总结了MIL系列材料在气体的储存和分离、多相催化、药物的存储和缓释以及光电磁等方面的应用,并对MIL系列新型多功能材料研究的发展趋势进行了展望。