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    张袁斌

    • 副教授
    • 性别 : 男
    • 毕业院校 : 浙江大学
    • 学历 : 博士研究生毕业
    • 学位 : 博士学位
    • 在职信息 : 在岗
    • 所在单位 : 化学与材料科学学院
    • 入职时间 : 2020-09-15
    • 办公地点 : 8幢-221
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    研究领域

    • -金属有机骨架材料(MOFs)

           MOFs是金属有机骨架化合物(英文名称Metal organic Frameworks)的简称。是由无机金属中心(金属离子或金属簇)与桥连的有机配体通过自组装相互连接,形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料。MOFs是一种有机-无机杂化材料,也称配位聚合物(coordination polymer),它既不同于无机多孔材料,也不同于一般的有机配合物。兼有无机材料的刚性和有机材料的柔性特征。使其在现代材料研究方面呈现出巨大的发展潜力和诱人的发展前景。

            金属有机骨架是由含氧、氮等的多齿有机配体与金属离子自组装而成的配位聚合物。早在20世纪90年代中期,第一类MOFs就被合成出来,但其孔隙率和化学稳定性都不高。因此,科学家开始研究新型的阳离子、阴离子以及中性的配位体形成的配位聚合物。目前,已经有大量的金属有机骨架材料被合成,主要是以含羧基有机阴离子配体为主,或与含氮杂环有机中性配体共同使用。这些金属有机骨架中多数都具有高的孔隙率和好的化学稳定性。由于能控制孔的结构并且比表面积大,MOFs比其它的多孔材料有更广泛的应用前景,如吸附分离H2 、催化剂、磁性材料 和光学材料 等。另外,MOFs作为一种超低密度多孔材料,在存储大量的甲烷和氢等燃料气方面有很大的潜力,将为下一代交通工具提供方便的能源。

        一般金属有机骨架材料都是有两部分组成,即有机配位体和金属中心,分别作为支柱和结点的作用,根据组分单元和在合成方面的不同有以下几类著名的MOFs材料家族:

      (1)网状金属和有机骨架材料(英文名称isoreticular metal-organic frameworks;简称IRMOFs);

      (2)类沸石咪唑骨架材料(英文名称zeolitic imidazolate frameworks;简称ZIFs);

      (3)莱瓦希尔骨架材料(英文名称(metarials of istitute Lavoisier;简称MILs);

      (4)孔、通道式骨架材料(Pocket-channel frameworks;简称PCNs)

         MOFs合成方法有多种,近年来又出现了许多新的合成方法,其中主要有:

      (1) 溶剂法:是在水或有机溶剂存在下,使用带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜或玻璃试管加热原料混合物,在自身压力下反应得到高质量的单晶;

      (2) 液相扩散法:按一定比例将金属盐、有机配体、合适的溶剂混合后,放入玻璃小瓶中,再将小瓶放入大瓶中,把质子化溶剂也放入大瓶中,之后将瓶盖封住、静置,经过一段时间,MOFs晶体生成;

      (3) 其他方法:近几年又出现了许多新的制法,其中有溶胶-凝胶法、搅拌合成法、固相合成法、微波、超声波、离子热等方法。 

        MOFs具有多孔、大比表面积和多金属位点等诸多性能,因此在化学化工领域得到许多应用,例如气体贮存、分子分离、催化、药物缓释等。

      (1)气体的吸附与储存:MOFs特殊的孔道结构,是理想的氢气存贮材料,现在MOF177在77K下的储氢能力已达到7.5%,当前研究重点是室温下达到高储氢能力的突破;

      (2)分子分离:MOFs的孔道大小和孔道表面可以控制,可以用于烷烃分离,也可以由于手性分离,在这方面的应用正在扩大;

      (3)催化:MOFs材料的不饱和金属位点作为Lewis酸位,可以用作催化中心,现已用于氰基化反应、烃类和醇类的氧化反应、酯化反应、Diels-Alder 反应等多种反应,具有较高的活性;

      (4)药物的缓释:MOFs材料具有较高的载药量、生物兼容性及功能多样性,可广泛用于药物载体,例如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,1400mg/g,6天。展望未来MOFs材料无论在品种、性能、合成方法、应用领域,作为一类新型材料,还会进一步发展和扩大。