武汉理工麦立强Chem. Soc. Rev.综述：MOF涂层的通用合成及广泛应用

【背景介绍】

金属有机框架结构（MOFs）作为一类新型的多孔晶体材料，近年来引起了人们的广泛关注。通常地，MOFs包含金属离子/团簇和有机配体两个主要部分，并通过配位键组装而成。通过改变金属离子/团簇和有机配体的种类，研究人员已经成功地制造了成千上万的MOFs。由于它们独特的结构，MOFs展现出超高的孔隙率（约90%）、超高的表面积（高达6000 m² g^-1）、均匀可调的孔、充分暴露的活性位点、可调的形貌和丰富的组成，在诸多应用领域中展现出极大的潜力。然而，单纯MOFs的特定几何形态、有限功能和不尽如意的性能阻碍了其进一步的应用。近些年，为了解决上述问题，一种有效的方法是通过整合MOF涂层与功能化材料而形成具有协同优势的复合材料，进而展现出巨大的应用前景，包括电池、超级电容器、催化、气体存储与分离、传感器、药物输运和细胞保护等。然而，系统的合成策略及其结构与应用性能之间的关系还未被深入理解及总结。

【成果简介】

近日，武汉理工大学麦立强教授课题组根据其课题组关于纳米线材料、MOFs及MOF涂层的结构设计与性能研究的基础，全面地总结了MOF涂层的通用合成策略及广泛应用。作者首先对MOF涂层的基本化学、分类和功能进行了综合的讨论。之后通过调控金属离子源和有机配体的状态（如固、液、气），不同合成策略制备在功能化材料上的MOF涂层被详细地介绍。接下来讨论了MOF涂层在电池、超级电容器、催化、气体存储与分离、传感器、药物输运和细胞保护等领域的应用，及其结构与性能相关性。最后，作者对MOF涂层所面临的机遇与挑战进行了展望。该成果发表以“Advances in metal–organic framework coatings: versatile synthesis and broad applications”为题发表在Chemical Society Reviews（DOI: 10.1039/c9cs00806c）。该论文共同第一作者为武汉理工大学的孟甲申博士和刘熊博士，通讯作者为武汉理工麦立强教授。

【图文解读】

1.引言

图1 关于MOFs和MOF涂层的论文每年发表数目

2. MOF涂层的基本化学、分类和功能

2.1 MOF涂层的基本化学

2.2 MOF涂层的分类

图2 MOF涂层分类和应用的总结图

2.3.MOF涂层的功能

图3 MOF涂层功能的总结图

3.MOF涂层的通用合成策略

图4 MOF涂层合成策略的总结图

3.1液-液合成策略

图5 液-液合成策略的典型实例

3.2 固-液合成策略

图6 固-液合成策略的典型实例

3.3 固-固合成策略

图7 固-固合成策略的典型实例

3.4 固-气合成策略

图8 固-气合成策略的典型实例

3.5 气-气合成策略

图9 气-气合成策略的典型实例

4.MOF涂层的广泛应用

4.1 电池

图10 锂离子电池和钠离子电池的典型实例

图11 其他类型电池的典型实例

4.2 超级电容器

图12 超级电容器的典型实例

4.3 电催化

图13 MOF涂层直接应用于电催化的典型实例

图14 MOF涂层衍生物应用于电催化的典型实例

4.4 气体分离

图15 气体分离的典型实例

4.5 气体吸附和储存

图16 气体吸附和储存的典型实例

4.6 光催化

图17 光催化的典型实例

4.7 传感器

图18 光催化的典型实例

4.8 加氢反应

图19 加氢反应的典型实例

4.9 药物输运和细胞保护

图20 药物输运和细胞保护的典型实例

【总结与展望】

作者总结了MOF涂层的通用合成策略和广泛应用的最新进展。首先深入讨论了MOF涂层的基本化学、分类和功能。并且从合成化学的角度，总结了五种合成方法制备MOF涂层，包括液-液、固-液、固-固、固-气和气-气合成策略。此外，详细讨论了独特结构的MOF涂层在许多前沿领域中应用的典型实例及其结构与性能相关性。尽管在过去的十年中，MOF涂层已取得了较大的进展，但对于实际应用和新兴应用来说，仍有很长的路要走。对于MOF涂层的未来研究，一些重要方面和机遇需要被考虑，主要包括：（1）功能化MOF涂层的精确控制，以实现高性能的应用；（2）探索与MOF涂层结合的新型功能材料；（3）开发新策略来调控MOF涂层和功能材料之间的空间分布和界面相互作用；（4）深入了解MOF涂层复合材料中的结构与性能相关性；（5）将MOF涂层复合材料引入新的跨学科领域；（6）低成本和高产量，以实现大规模的实际应用。

【文献链接】

Advances in metal–organic framework coatings: versatile synthesis and broad applications （Chem. Soc. Rev., 2020. DOI: 10.1039/c9cs00806c）

麦立强教授简介

麦立强，武汉理工大学材料学科首席教授，博士生导师，武汉理工大学材料科学与工程学院院长，教育部“长江学者特聘教授”（2016），国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”领军人才入选者，英国皇家化学学会会士，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员。2004年在武汉理工大学获工学博士学位，随后在美国佐治亚理工学院（2006-2007）、哈佛大学（2008-2011）、加州大学伯克利分校（2017）从事博士后、高级研究学者研究。

主要研究方向为纳米储能材料与器件。构筑了国际上第一个单根纳米线固态储能器件，创建了原位表征材料电化学过程的普适新模型，率先实现了高性能纳米线电池及关键材料的规模化制备和应用。目前已发表包括Nature、Nature Nanotechnol.、Adv. Mater.、Chem. Rev.等在内的SCI论文300余篇，SCI他引16800余次；获授权国家发明专利100余项。在美国MRS、ACS、ECS等重要国际会议做大会报告、主旨报告、特邀报告70余次。作为大会主席组织Nature能源材料会议、第十届中美华人纳米论坛等重要国际会议10余次。主持国家重大科学研究计划课题、国家自然科学基金重点项目等30余项。获国家自然科学奖二等奖（第一完成人，2019）、科睿唯安全球高被引科学家（2019）、教育部自然科学一等奖（第一完成人，2018）、英国皇家化学会中国高被引作者（2017）、第十四届中国青年科技奖（2016）、第十一届光华工程科技奖青年奖（2016）、湖北省自然科学一等奖（第一完成人，2014）、侯德榜化工科学技术奖青年奖（2016）、国际电化学能源科学与技术大会卓越研究奖（EEST2018 Research Excellence Awards）（2018）、中国产学研合作创新奖（2016），入选“国家百千万人才工程计划”，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴。任Adv. Mater.、Chem. Rev.客座编辑，Acc. Chem. Res.、Joule、ACS Energy Lett.、Adv. Electron. Mater.、Small国际编委，Nano Res.、Sci. China Mater.编委。