北科Cell Reports Physical Science：神通广大的MOFs还有什么新应用？

文章简介

随着全球科技化进程的加剧，各个领域对于新材料的需求都展现出与日俱增的态势。金属有机框架（MOFs）是一类新颖的由有机配体和金属离子或团簇通过配位键自组装形成的具有分子内孔隙的有机-无机杂化材料，因其拓扑多样性，功能可调性，多孔性及容易制备等特点备受研究者青睐。近年来，MOF材料在诸如吸附、分离、催化、环境、传感、医学等领域均展现出极大的应用潜力，特别是能源领域。MOFs材料在能源领域的应用还有很大的发展空间，比如近年来新兴的MOFs在相变热能存储领域的新应用。

近日，北京科技大学王戈教授系统综述了MOFs在相变热能存储领域的最新研究进展。概括了MOFs在相变热能存储领域的优势和MOFs封装相变材料的方法；系统总结和分析了三大类MOFs基相变材料（PCMs）在热能存储领域的应用进展，最后对其存在挑战和发展前景进行了总结。文章以“Metal-Organic Framework-based Phase Change Materials for Thermal Energy Storage”为题发表于Cell出版社旗下新晋高水平期刊Cell Reports Physical Science。

图1. 金属有机框架基相变材料应用于相变热能领域

核心内容

要点一：总结了MOFs基相变材料用于热能存储的优势和封装方法。

MOFs具有超高的比表面积和孔隙率，孔结构高度规整有序、孔结构（尺寸和表面官能团）具有优异的可调性。因此，MOFs在制备高性能复合相变材料方面更具发展潜力。考虑到纯相变材料在固液相转变时存在泄漏的缺点，目前的主要解决策略是两步封装法：首先通过溶剂热法等策略合成MOFs，然后将熔融的PCMs液体通过毛细作用力和表面张力渗透到MOFs孔道中，最终获得MOFs基相变复合材料。

图2. 金属有机框架应用于相变热能存储的优势

要点二：总结了三大类MOFs基PCMs在热能存储领域的应用进展。

主要总结了原始MOFs基相变材料、MOFs复合物基相变材料、MOFs衍生碳基相变材料的最新研究进展，分析讨论了三类材料在相变热能存储领域的优缺点，同时对MOFs孔结构与MOFs基相变材料热性能之间的关联性提出了建设性见解。

图3. 金属有机框架基相变材料的研究进展

图4. 金属有机框架基相变材料的蓄热研究

图5. 金属有机框架基相变材料的传热研究

图6. 金属有机框架基相变材料的电热转换研究

图7. 金属有机框架基相变材料的光致发光研究

要点三：展望了MOFs基PCMs在热能存储中存在的挑战及未来的研究方向。

• 孔结构的调控依旧是制约高性能MOFs基PCMs发展的一大挑战。
• 尽管已有一些商业化MOFs，但是高成本依旧是MOFs基PCMs的一大劣势
• 目前的研究主要集中在少数明星MOFs，更多种类的合适MOFs需要探索。
• 高通量和机器学习手段是未来筛选合适MOFs用于相变热能存储的首选手段。
• 先进的高性能-多功能MOFs基相变复合材料急需进一步探索。

文献链接

Xiao Chen, Hongyi Gao, Zhaodi Tang, Ge Wang. Metal-Organic Framework-based Phase Change Materials for Thermal Energy Storage, Cell Reports Physical Science, 2020, 1, 100218. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100218100218。

期刊简介

经过40余年的发展，全球领先的学术出版机构Cell Press 细胞出版社旗下已拥有40多本期刊，学科覆盖领域也逐渐从生命科学拓展到物质科学。作为Cell Press的第一本物质科学期刊，Chem 自2016年问世后，目前已发展成为化学领域具有很高知名度的旗舰期刊。其后，Cell Press 又相继推出能源旗舰刊Joule和材料旗舰刊Matter。在此基础上，Cell Press物质科学家族将再添新成员—Cell Reports Physical Science。Cell Reports Physical Science是一本高水平定位的开放获取期刊，致力于报道化学、能源、材料和物理等整个物质科学领域的高质量研究成果。文章形式包括Report，Article和Review。不像Joule 和Chem，我们没有更偏向收录“能源领域的重大突破”或“化学界的热点话题”这样的文章，因此我们可能会考虑刊登一些在这些期刊中找不到位置的高质量内容。我们正在建立从Chem、Joule、Matter 到Cell Reports Physical Science，以及从Cell Reports Physical Science 到iScience 的高效清晰的稿件转投路径。详情见主编访谈：https://mp.weixin.qq.com/s/pkseJw-QCCT39axokUQKuA。

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