JACS：金属有机骨架化合物(MOFs)“变形记”——从液体到固体再到泡沫的转变

【引语】

2016年8月11日，北京理工大学化学学院的王博教授（通讯作者）在期刊JACS上发表了题为“Shaping of metal-organic frameworks: from fluid to shaped bodies and robust foams”的学术论文，报导了关于金属有机骨架化合物(MOFs)泡沫制备以及其性能的介绍。

【成果简介】

金属有机骨架化合物(MOFs)因其内部脆性较大、可加工性能较差，所以应用常常受到限制。不像有机高分子，MOF晶体不能溶解在任何溶剂中，大部分MOF都是热固性材料，这意味着传统的溶剂和以溶解为基础的加工技术不能适用于MOFs。

然而，科学家们发现连续相转变加工方法可以把MOFs加工为可加工流体、有形固体甚至是在这些相中可以发生可逆改变的MOF泡沫。基于这种方法，研究者们研制出了杯状的Cu-MOF复合材料和分层多孔MOF泡沫，从而实现高效C-H键氧化催化。

通过这种方法可以得到各种低密度(<0.1 gcm-3)、高负载(80 wt%)的MOF泡沫。由于具有分层多孔结构，这些MOF泡沫呈现出低能量损耗的特点，具有优异的机械性能和C-H键氧化催化性能，很有潜力应用于薄膜反应器中。

【图文导读】

图1：MOF@Fe3O4的制备过程和相转变应用图解以及用这种方法研制的其他泡沫成品示意图

(a)为HKUST-1@Fe3O4-MF的制备过程图解和该磁性液体的一些应用。图中上半部分是MOF@Fe3O4的制备过程，图中红色小球代表羧基-COOH，绿色小球代表Cu2+离子，紫色小球代表MOF@Fe3O4。

(b)为用这种方法制造出的其他泡沫成品示意图。

[注：BTC：均苯三甲酸。  CMC：Carboxymethyl Cellulose，即羧甲基纤维素，别称E466。]

图2：HKUST-1@Fe3O4-MF具有优异性能的样品实验以及C-H氧化催化反应器的图解和催化性能分析

(a)：HKUST-1@Fe3O4-MF的反相转变图示。在磁性液体中加入CH3CN变为郁金香形状的固体，继而加水后恢复液体形状，再加入CH3CN放入五角星模具又变为另一形状的固体；

(b)：HKUST-1@Fe3O4-gel优异可恢复性能实验展示。四片HKUST-1@Fe3O4-gel用磁铁可以在5分钟后又恢复在一起；

(c)：通过溶剂引发方法制备的杯状反应器；  (d)：杯状反应器内表面的SEM图像；

(e)：C-H键氧化催化反应器的图像展示；       (f)：杯状反应器的催化性能。

图3：HKUST-1@Fe3O4泡沫的各种机械性能实验、和HKUST-1片动力催化性能的比较以及泡沫的可回收性能柱状图

(a)：HKUST-1@Fe3O4泡沫的抗压实验；

(b)：HKUST-1@Fe3O4泡沫被用刀切成薄片，小插图展示了小薄片的抗弯性能；

(c)：胶带实验之后胶带的表面图示；

(d)：HKUST-1@Fe3O4泡沫的机械稳定性实验；

(e)：HKUST-1@Fe3O4泡沫和HKUST-1片动力催化性能的比较，横坐标为时间，纵坐标为转化率；

(f)：HKUST-1@Fe3O4泡沫的再生性能。

图4：六种金属有机骨架化合物的原子簇、有机链、拓扑结构、泡沫样品以及样品的扫描电镜图片

(a)~(f)分别表示HKUST-1@CMC、ZIF-8@CMC、Mg-MOF-74、Zn-MOF-74、UIO-66、NH2-UIO-66六种泡沫；

图(ⅰ)表示六种泡沫的金属原子簇；图(ⅱ)表示六种泡沫的有机链；

图(ⅲ)表示六种泡沫的拓扑结构； 图(ⅳ)为六种泡沫的样品；

图(ⅴ)和图(ⅵ)为六种泡沫样品的扫描电镜图像，图(ⅴ)中为100m比例尺，图(ⅵ)中为10m比例尺。

【总结】

本文中，研究者们通过HKUST-1@Fe3O4纳米颗粒和CMC混合得到磁性液体，继而转变为胶体、固体甚至是泡沫，用这种方法制成的MOF泡沫具有优异的机械性能和C-H键氧化催化性能以及优异的可再生性能，在可恢复材料领域和薄膜反应器的应用极具潜力。

文献链接：Shaping of metal-organic frameworks: from fluid to shaped bodies and robust foams （J. Am. Chem. Soc. ，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b06959）

本文由材料人编辑部MOF组木木供稿，材料牛整理编辑。

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