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金属有机框架
奈米孔洞材料 来自维基百科，自由的百科全书
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金属有机框架又译金属有机骨架（英语：Metal Organic Frameworks，缩写：MOFs）是一类多孔高分子，结合起两门经常被分开的化学学科——无机化学和有机化学。[1]MOF由有机配体配位的金属原子或原子簇构成一维、二维或三维的结构。所用的有机配体有时被称为“支撑体”（strut）或“连接体”（linker），例如1,4-苯二甲酸。
金属有机框架是一种潜在的多孔扩展结构，由金属离子和有机连接体构成。[2][3][4]扩展结构是指其子单元以恒定的比例重复排列。“配位网络”是一种通过重复的配位单元，在一维方向上扩展的配位化合物，但在两个或多个独立链、环或螺旋连接体之间具有交联，或者是通过重复的配位单元在二维或三维方向上扩展的配位化合物，而MOFs就是配位网络的一种子类。包括MOFs在内的配位网络进一步属于配位聚合物，是一种重复的配位单元在一维、二维或三维方向上扩展的配位化合物。[5]大多数文献中报道的MOFs是晶体化合物，但也有无定形MOFs，[6]以及其他无序相。[7]
大多数情况下，MOFs的孔隙在去除客体分子（通常是溶剂）时保持稳定，并且可重新填充其他化合物。由于这一特性，MOFs在气体存储（如氢气和二氧化碳）方面具有应用潜力，另外也可能应用于包括气体净化、气体分离、水处理，[8]催化剂、电导固体以及超级电容器等领域。[9][10]
MOFs的合成与性质构成了“网状化学”（reticular chemistry）这一学科的主要研究方向。[11]与MOFs不同，共价有机框架（COFs）完全由轻元素（H、B、C、N、O）构成，并具有扩展结构。[12]
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历史
1995年，奥马尔·亚基通过使用基于羧酸盐的连接体制备了金属有机结构的结晶，这一突破为创造稳定且晶体化的多孔材料铺平了道路。[13]1998年，他提出了次级建筑单元（SBUs）的概念，使用金属-羧酸盐簇作为构建具有永久孔隙性的框架的刚性建筑块，进一步推动了这一领域发展。[14]这一创新使得精确的结构设计成为可能，并提高了机械稳定性，使MOFs能够在工业条件下保持其孔隙性。亚基还测量了这些材料的气体吸附等温线，证明了它们在气体存储和分离应用中的潜力。[15]
1999年，开发出了首个表现出超高孔隙度的MOF——MOF-5。[16]MOF-5由氧化锌簇和对苯二甲酸连接体构成，展现出高表面积、结构坚固和多样性等独特特性，确立了MOFs作为一种平台技术，其应用范围从气体存储和分离到催化和传感。凭借在MOFs领域的开创性工作，亚基被广泛认为是网状化学的创始人。[17]
结构
金属有机框架由两个主要成分组成：无机金属簇（通常被称为次级建筑单元或SBU）和一种称为连接体的有机分子。因此，MOFs通常也称为“有机-无机混合材料”（hybrid organic-inorganic materials）。[5]有机单元通常是一价、二价、三价或四价配体。[18]金属和连接体的选择决定了MOF的结构，从而影响其特性。例如，金属的配位偏好通过决定多少配体可以与金属结合以及结合的方向，影响孔隙的大小和形状。
有一种命名系统可描述金属有机框架的结构。MOF的子单元称为次级建筑单元（SBUs），可以通过几种结构常见的拓扑来描述。每种拓扑，也称为网络（net），被分配一个符号，由三个加粗的小写字母组成。例如，MOF-5具有“pcu”网络。
附着在SBUs上的是桥接配体。对于MOFs，典型的桥接配体是二羧酸和三羧酸。这些配体通常具有刚性的骨架，包括对苯二甲酸、联苯-4,4′-二甲酸（BPDC）以及均苯三甲酸。
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常见的金属有机框架
参见
- 配位聚合物
- Linyu Hu, Wenrui Li, Lu Wang, Bo Wang. Turning metal-organic frameworks into efficient single-atom catalysts via pyrolysis with a focus on oxygen reduction reaction catalysts. EnergyChem. 2021-05, 3 (3): 100056 [2022-11-07]. doi:10.1016/j.enchem.2021.100056. （原始内容存档于2022-06-16） （英语）.
- The Fascination of Crystals and Symmetry - MOFs （页面存档备份，存于互联网档案馆）
参考文献
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