金属有机框架复合材料在超级电容器中的合成及应用研究

电极材料是超级电容器（SCs）的关键部件,金属有机框架（MOFs）作为一种多孔材料,由于其具有比表面积大、结构可控、孔径可调等优点在SCs电极材料领域得到诸多关注,而MOFs的低导电性和稳定性仍然是实际应用中的主要挑战。MOF复合材料是一类由MOFs与一种或多种不同材料组成的复合材料,它可以有效地结合MOFs和其他功能材料的优势,例如优良的导电性和独特的电化学性质等。因此,MOF复合材料可以实现高可逆容量和优良的循环性能,克服MOFs材料的缺点,在超级电容器电极材料领域具有广阔的应用前景。根据与MOFs复合的材料维度分类,可分为0D、1D、2D和3D MOFs四类复合材料,重点综述了这四类复合材料的组成及合成方法,并系统介绍了MOF复合材料的SCs应用,对其发展前景进行展望。     

MOFs基材料在超级电容器中的应用

金属有机骨架材料（MOFs）多样的组成与结构、高的比表面积和丰富的孔结构等优势,使其逐渐成为高性能电化学储能与转换电极材料研究的热点之一。本文主要介绍了MOFs在超级电容器中的应用研究,阐述了MOFs自身及其复合材料和衍生物（多孔碳、金属硫化物及氧化物）在超级电容器材料应用领域的研究进展,讨论了MOFs基超级电容器的结构特征及其在电化学储能领域中展现出特殊的性质和新颖的功能,提出了MOFs构筑的超级电容器在新能源储存与转换领域发挥的重要作用,最后对MOFs基超级电容器自身结构稳定性差、导电率偏低及其实际应用受限进行了分析。     

MOF及其复合材料吸附去除VOCs应用研究进展

金属有机骨架材料（MOF）是一种高比表面积、活性位点丰富、易化学修饰的新型多孔材料,但较差的水稳定性限制其在吸附挥发性有机化合物（VOCs）领域的应用,因此如何提高和巩固MOF的吸附性能已成为研究的热点。本文从单体MOF的合成、MOF复合材料的制备、吸附机理和吸附影响因素等方面综述了MOF及其复合材料吸附去除VOCs的研究进展。针对目前MOF材料在吸附VOCs方面的不足提出研究建议,展望其在VOCs吸附领域的发展方向为制备富含微-介孔结构和活性位点、水热稳定性强、抗水蒸气竞争吸附好和循环利用率高的新型高稳定性材料,以及开发新型MOF材料合成方法。     

柔性金属有机骨架材料(MOFs)用于气体吸附分离

柔性金属有机骨架材料(MOFs)具有高度有序的网络结构与可变形的骨架,其骨架结构会对外界的温度、压力及客体分子的刺激产生独特的结构响应。近几年来,柔性MOFs在气体吸附、气体分离、传感等领域显示出巨大的应用潜力。截至目前,研究者们对柔性MOFs的研究仅局限于对其结构形变的机理解释,而缺乏对柔性MOFs应用于相关化工过程的性能研究。本文着重对近年来柔性MOFs在气体吸附分离领域的研究进展进行了综述,并详细地分析了柔性MOFs结构与其气体吸附分离性能之间的构效关系。通过分子模拟结合实验,讨论了柔性MOFs结构对气体分子的平衡吸附与动力学扩散的影响。分析表明,设计合成具有良好吸附选择性与扩散性能的柔性MOFs是其应用于绿色、高效气体分离过程的重要发展方向。     

MOFs基多孔液体的制备及其应用

多孔液体(Porous Liquids, PLs)是一种结合了多孔固体材料永久孔隙率和液体流动性的新型液体材料,在气体吸附和分离、催化等应用领域中展示出巨大的潜力。金属框架材料(MOFs)因其具有高的比表面积、热和化学稳定性、独特的结构以及制备简单的特点,使其有望成为构筑PLs多孔宿主的最佳候选材料之一。近些年来,基于MOFs(ZIF-8、ZIF-67、UiO-66等)基多孔液体相关研究被陆续报道。首先,介绍了多孔液体的分类;其次,总结了近些年来MOFs基多孔液体的制备以及应用;最后,对MOFs基多孔液体的制备存在的挑战与未来在气体吸附、催化等领域进行了展望与总结。     

微流控制备金属/共价有机框架功能材料研究进展

近年来,金属有机框架(MOFs)和共价有机框架(COFs)等多孔材料因其结构单元的多样性和可设计性,不仅可以构筑具有多样化拓扑类型和化学物理性质的骨架结构,还可以精准调节结构中孔道的形状、大小和孔径分布,在气体吸附与分离、催化和化学传感等方面展现出广泛的应用价值。然而传统间歇式合成方法中相际间缓慢的微观传递过程,不利于材料的连续均一制备。近年来,微流控技术连续操作、精准可控、传递效率高和高度可重复性等特点在纳米材料制备领域体现了独有的优势。本文综述了近年来利用微流控技术制备MOF和COF材料的研究成果,重点介绍微流控强化合成过程,实现快速制备MOF和COF功能材料,以及通过微流体精准调控多孔材料微结构的研究工作。     

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。     

金属有机框架材料在天然气纯化和存储领域的应用

金属有机框架材料（Metal-organic frameworks,MOFs）因其优异的孔道特性和灵活的结构可调性，作为新型吸附材料受到气体分离和存储领域的广泛关注。然而，在天然气的纯化和存储领域的使用需要对MOFs固体吸附剂进行系统的设计，简要论述了MOFs在天然气纯化过程中对二氧化碳和硫化氢两大杂质的分离，以期提高天然气的纯度，为高效的存储奠定基础，接下来，从吸附和解吸两个角度出发，论述利用MOFs进行天然气存储的考量因素。最后，总结了在天然气纯化和存储领域MOFs的设计合成思路以及MOFs吸附剂在稳定性、多功能性等方面所面临的挑战，以此提高MOFs吸附剂在未来推广使用的可能性。     

金属有机框架材料对非二氧化碳温室气体捕捉研究进展

随着全球暖化研究的深入，非二氧化碳温室气体（非二气体）日益受到重视，其温升效应大，寿命长，能够带来巨大的温室效应，因而成为近年来的研究热点。其中对非二气体的高效捕捉是目前面临的难点和新挑战。多孔材料吸附捕捉是一种低能耗的气体捕集分离技术，关键在于高效的吸附剂开发。金属-有机框架材料（MOFs）因其结构多样，孔道的高度可调控性能，以及具有丰富的开放金属位点等特点为非二气体的分离和捕捉提供了新的机遇。以此为主题，总结了近年来MOF材料在非二气体分离方面的研究成果，分析了各材料的分离机理与性能，展望了未来MOFs材料在非二气体分离领域的挑战与机遇。     

金属有机框架材料的水稳定性及吸水应用进展

水蒸气广泛存在于空气和工业气体中,收集利用或去除水蒸气都需要利用高吸水储水的吸附剂。金属有机框架材料(metal-organic frameworks,MOFs)作为一种具有高孔隙率、高比表面积的新型多孔材料,同时具备网状结构和孔径可控调节的特性,被广泛应用于吸附、分离、催化、过滤等多个领域。将MOFs应用于水吸附领域不仅要求MOFs具备较高的水稳定性,还需要具备亲水和吸附-脱附循环能力。本文综述了水稳定性MOFs的基本组成,基于皮尔森软硬酸碱理论的设计原则,水吸附行为的影响因素以及空气集水、气体除湿等应用领域的进展,以饱和吸湿量为参考罗列了13种水吸附MOFs及其衍生物的物理参数。最后总结了水吸附MOFs在合成机理、批量制备和应用领域存在的问题,并对应提出了解决思路,期望为MOFs在水吸附应用的研究方向提供有价值的参考。     

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。     

Emerging Synthetic Methods and Applications of MOF-Based Gels in Supercapacitors,Water Treatment,Catalysis, Adsorption,and Energy Storage

Metal–organic frameworks (MOFs), which are synthesized through the self-assembly of organic ligands and inorganic metals, have drawn considerable research interest owing to their unique properties and attractive structures. Many studies on various MOF derivatives, such as MOFs and cellulose aerogels, hydrogel composite materials, and bimetallic-centered MOF materials, have provided the potential for wide application of MOFs. However, MOFs mostly exist in the form of powder particles, which are difficult to form. In addition, MOFs have problems with structural instability. MOF-based gels can overcome this problem. MOF-based gels also have significant advantages in secondary processing. In this review, synthetic methods for MOF-based gels, particularly the synergistic effect with other materials, are introduced. The applications of MOF-based hydrogels and aerogels in supercapacitors, water treatment, catalysis, adsorption, and energy storage are also discussed.     

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。     

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。     

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。     

Metal-organic frameworks for analytical chemistry: from sample collection to chromatographic separation

In modern analytical chemistry researchers pursue novel materials to meet analytical challenges such as improvements in sensitivity, selectivity, and detection limit. Metal-organic frameworks (MOFs) are an emerging class of microporous materials, and their unusual properties such as high surface area, good thermal stability, uniform structured nanoscale cavities, and the availability of in-pore functionality and outer-surface modification are attractive for diverse analytical applications. This Account summarizes our research on the analytical applications of MOFs ranging from sampling to chromatographic separation. MOFs have been either directly used or engineered to meet the demands of various analytical applications. Bulk MOFs with microsized crystals are convenient sorbents for direct application to in-field sampling and solid-phase extraction. Quartz tubes packed with MOF-5 have shown excellent stability, adsorption efficiency, and reproducibility for in-field sampling and trapping of atmospheric formaldehyde. The 2D copper(II) isonicotinate packed microcolumn has demonstrated large enhancement factors and good shape- and size-selectivity when applied to on-line solid-phase extraction of polycyclic aromatic hydrocarbons in water samples. We have explored the molecular sieving effect of MOFs for the efficient enrichment of peptides with simultaneous exclusion of proteins from biological fluids. These results show promise for the future of MOFs in peptidomics research. Moreover, nanosized MOFs and engineered thin films of MOFs are promising materials as novel coatings for solid-phase microextraction. We have developed an in situ hydrothermal growth approach to fabricate thin films of MOF-199 on etched stainless steel wire for solid-phase microextraction of volatile benzene homologues with large enhancement factors and wide linearity. Their high thermal stability and easy-to-engineer nanocrystals make MOFs attractive as new stationary phases to fabricate MOF-coated capillaries for high-resolution gas chromatography (GC). We have explored a dynamic coating approach to fabricate a MOF-coated capillary for the GC separation of important raw chemicals and persistent organic pollutants with high resolution and excellent selectivity. We have combined a MOF-coated fiber for solid-phase microextraction with a MOF-coated capillary for GC separation, which provides an effective MOF-based tandem molecular sieve platform for selective microextraction and high-resolution GC separation of target analytes in complex samples. Microsized MOFs with good solvent stability are attractive stationary phases for high-performance liquid chromatography (HPLC). These materials have shown high resolution and good selectivity and reproducibility in both the normal-phase HPLC separation of fullerenes and substituted aromatics on MIL-101 packed columns and position isomers on a MIL-53(Al) packed column and the reversed-phase HPLC separation of a wide range of analytes from nonpolar to polar and acidic to basic solutes. Despite the above achievements, further exploration of MOFs in analytical chemistry is needed. Especially, analytical application-oriented engineering of MOFs is imperative for specific applications.     

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。     

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。     

金属有机骨架(MOFs)为壳的核壳结构材料研究进展

MOFs核壳结构材料是近十几年来化工材料领域的研究热点, 其中MOFs可作核, 亦可作壳。本文从不同的核出发综述了以MOFs为壳的核壳结构材料的合成方法, 如外延生长法、后合成修饰法等;概述了其展现出优于核层与壳层的特性(如选择性分离、催化性、磁性等)及以 MOFs为壳的核壳结构材料在气体吸附、催化剂、磁性分离等应用上的研究, 这给MOFs复合材料的产业化带来很大的潜力;而内核主要包括单质金属及非金属类内核、氧化物类内核、MOFs类内核;最后对MOFs为壳的核壳结构复合材料合成方法的改进和拓展、结构均一稳定、多功能化的发展作了展望。