从顶刊Chemical Reviews学术动态，看明星MOF材料如何Rock the world

Francis-cas 8年前 (2016-04-26) 11532浏览

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对于专业的材料人来说，不管具体是研究什么方向的材料，对于MOF这个“大明星”大家肯定很熟悉，MOF近十年来发展迅速(“目前，在化学领域，MOF是发展最快的材料种类。”该领域先驱之一、美国加州大学伯克利分校化学家Omar Yaghi说)的一种配位聚合物，一般以金属离子或团簇与有机配位体相互键合，构成空间3D结构，系沸石和碳纳米管之外的又一类重要的新型多孔材料。化学、材料类的顶级期刊（如JACS、Angew）上经常能够看到它的身影。在这方面有名国外科学家有kitagawa，Yaghi等人，而国内的中科院福建物质结构研究所（洪茂椿院士）、浙江大学、南京大学等也是MOF方面的“专业户”哦！

总会有人问，这个材料有什么用呢？Ok，今天小编就带你领略它的魅力！

【发光】

因为光让万物生长，让我们的夜晚不再黑暗，让我们享受灯红酒绿，让世界更精彩！

材料发光分为光致发光和电致发光，对于MOF而言更多的研究的是其光致发光（分为荧光和磷光两种）。它的发光主要来源四个方面：配体发光、镧系金属离子发光、电荷迁移发光、客体发光。基于MOF的发光可以实现一系列的应用：

高度灵敏传感与检测

首先，我们合成出来能够发光的MOF，可以利用其光物理性能的变化来对环境污染物、有机小分子、不同种类的气体、环境的温度、环境pH等进行检测。

这主要是利用物质或环境与MOF的结构相互作用，当MOF的结构和组成变化时，其发光性能就会发生变化，人们就可以根据其光的变化来判断环境与物质的组成。试想一下，以后的汽车尾气的检测器可能就会是MOF材料做的哦！

图1 MOF对于不同金属离子的识别

光学可调性LED

由于MOF材料的结构多样性与光学性能可调性，到目前为止科学家们已经设计了很多的可调的MOF发光LED。它相对其他的LED材料，最大的有点就是其光学可调性。这点就很重要，这意味着人们可以根据自己的实际需要来设计LED，设计发光！

那具体是怎么调节发光的颜色呢？有调节组成、调节温度、调节结构等手段。

图2 应用LED的MOF

生物成像与药物缓释

“材料是人类发展的基石”，这还是我们材料人在许多师兄、师姐博士论文开头部分中看到的一句话。说明材料无所不在，对于人类的发展是至关重要的，随着材料科学的迅猛发展，材料是一门交叉学科的这个定论是无需质疑的！如与生物、化学、物理等学科的交叉。

MOF的载药量较高、生物兼容性好，可广泛用于药物载体，如MIL-100和MIL-101对布洛芬有较好的载药和释放效果；其固载率和缓释时间分别为350mg/g，3天和1400mg/g，6天。还可以利用其磁性实现靶向给药。

CT、MRI是医院里常用检查身体的仪器，可以检查出身体的病变，对于医生的判断起到了很大的作用。由于MOF优异的发光性能，可以用作MRI的造影剂，使得检查更加清楚、准确！

图3 MOF在生物成像中的应用

【催化】

MOF的特点就是多孔性和比表面积高，这可以使得其在催化领域大显身手了，众所周知的纳米材料可以作为高效的催化剂，但是它表明能很高，这就使得它在催化反应过程中特别容易团聚在一起，那么催化性能就会大打折扣，利用MOF作为催化载体就可解决这个问题，因为MOF的孔可以多不同的纳米粒子有着保护作用，也提高了催化剂的使用寿命，如可以包覆一些生物酶用于催化生化反应。

图4 MOF包覆催化剂

此外，MOF本身就可作为催化剂，可以用于光催化、催化加氢、偶联反应等。那么其催化性能从哪来呢？可来源于MOF上面的有机配体（一些官能团），金属活性位点，客体分子等。可控的孔结构可以实现某些物质的选择性催化。

图5 MOF催化酰基转移

【吸附】

老家的那一流溪水已不再那么清澈。水是生命之源，在我国经济快速发展的过程中，留下了很多环境问题，其中水污染非常严重，对于水中污染物的去除对于人类的健康至关重要，科研人员们对此作出了很多努力，如通过光催化降解、吸附等。

MOF材料孔多，比表面积高，其中一些MOF还具有磁性，所以MOF就可以在吸附水中污染物方面大展身手了，可作为一种高效的吸附剂。近期的JACS就发表了与这相关的paper（刚接收的哦）。

图6 MOF-5对于不同浓度的苯并噻吩的吸附动力学

【气体分离与储存】

一个由闪闪发光的钢铁建成的小城市横跨德国莱茵河，这里是化学巨头巴斯夫公司的总部。2013年-2014年间，这里小部分箱式送货车和小汽车携带着一个大秘密：燃料箱塞满了一种与众不同的晶体材料（没错，就是MOF），材料上面充满了直径约1纳米的小孔。这些孔内部存在着整齐堆叠的甲烷分子，准备着为货车的内燃机提供燃料。在过去，MOF被认为不稳定，无法在现实应用，通常一旦客体分子被移除，它们就会立刻崩溃。但是随着其飞速发展，这个定论被打破了！

MOF可调节的孔径可以实现对于不同尺寸气体分子的分离，CO₂捕捉。它有着大量的孔和特殊的孔道结构，可以实现用于气体的储存，现在MOF-177在77K下的储氢能力已达到很高了。MOF材料在未来将大行其道，将可能改变现在传统的气体存储方式，实现在低的压力下储存更多的气体，降低运输的效率，对于交通运输业影响甚大！