北工大李建荣教授最新Chem Soc.Rev.：耐碱 MOFs 材料

文章摘要

金属有机框架材料 (Metal–organic frameworks, MOFs) 是一类由有机配体和无机金属簇构筑成的多孔晶态材料。得益于该类材料独特的优势，它们在过去的数十年中获得了研究者越来越多的关注，深入的研究表明 MOF 在众多的领域中都拥有十分优秀的运用潜能。

MOF 材料的许多重要运用都不可避免的设计严苛的碱性环境。为了实现 MOF 材料在这些运用中的高性能与长循环寿命，MOF 在碱性环境中的高稳定性是十分重要的。因此，如何构筑具有高耐碱能力的 MOF 材料成了 MOF 领域一个重点发展方向。

在本综述中，本文作者（北京工业大学李建荣课题组）首先对过去十数年耐碱 MOF 材料的发展做出了历史性总结，并进一步分析归纳了可以影响 MOF 材料耐碱能力的关键因素。

本文也重点介绍了许多运用碱稳定 MOF 材料在不同运用领域取得可喜成就的研究工作。在综述的最后部分，本文探讨了未来碱稳定 MOF 的主要发展挑战，并提出了一些本文作者认为可能的突破方法。

该综述发表于英国皇家化学会期刊Chemical Society Reviews，并选为封面文章 (Inside Front Cover)。

文章详情

在文章的主要部分，本文首先讨论了 MOF 材料碱稳定性的定义，将之从相对狭义的材料对氢氧根的稳定性拓展为材料对包括氢氧根在内的路易斯碱的耐受性，并强调了 MOF 的碱稳定性测试中，测试条件的定量化，以及粉末衍射，比表面测试，紫外可见光谱等技术的联合使用的重要性。

Figure 1. a)-d) Representative MOFs constructed by triazolate-/ imidazolate-/ pyrazolate-based ligands and unconventional ligands.

随后，本文对已报道的碱稳定 MOF 进行了总结与介绍。按照构筑 MOF 所用配体的不同，本文将碱稳定 MOF 材料大致分为三类，分别是由羧酸基配体，唑类配体以及非传统配体构成的 MOF 材料。由羧酸基配体构成的碱稳定 MOF 材料在已发表的众多综述文章中已有了详细的分析，且大部分该类配体在较为严苛的碱性环境中的稳定不甚令人满意，本综述将重点总结了近年来报道的，由三唑，咪唑，吡唑，邻二胺基，邻二巯基，邻二酚基作为配位基团的配体构成碱稳定 MOF。

Figure 2. The decomposition of MOFs under basic conditions.

进一步地，本文对影响 MOF 的碱稳定性的各种因素进行了分析与归纳，包括配位键的热力学稳定性与动力学惰性，配体和无机金属簇的连接数与几何构型等。同时，本文也对 MOF 的金属交换以及疏水化等后修饰处理对于材料碱稳定性影响的研究也就行了归纳与介绍。

Figure 3. a) Analysis of the effect of ligand length to the base stability of MOFs; b)-d) Examples to illustrate the effects of connectivity of building units, structures of the whole frameworks and the post-synthetic hydrophobicity modification to the base stability of MOFs.

在碱稳定 MOF 的运用方面，本文详细总结了该类材料作为重要有机合成反应的异相催化剂，OER/ORR 电极催化剂，储能材料以及在碱性气体的吸附分离，药物可控释放等众多运用领域的独特优势和取得的可喜进展。

Figure 4. The structure of MAF-X27 and its application as OER catalyst.

Figure 5. The schematic illustration of drug delivery with ZIF-8.

总结与展望

尽管研究者在碱稳定 MOF 材料领域的研究已经取得了很大的进展，该领域进一步的发展依然面临着诸多的挑战，如碱稳定 MOF 材料的结构多样性依然受限，大规模绿色制备技术尚缺乏研究。

本文也针对这些条件提出了一些可能发解决思路，如绕过单晶衍射，通过扩展粉末精修，电子衍射等技术的运用来确定碱稳定 MOF 的结构，弥补唑类配体构成的碱稳定 MOF 不易获得大尺寸单晶的缺陷；探索新的合成策略来调节碱稳定MOF的晶体生长，从而实现大尺寸晶体的获得与材料的大规模绿色合成。

论文信息

Construction and application of base-stable MOFs: a critical review

Kecheng Wang, Yaping Li, Lin-Hua Xie, Xiangyu Li and Jian-Rong Li*（李建荣，北京工业大学）

Chem. Soc. Rev.2022,51, 6417

https://doi.org/10.1039/d1cs00891a

 

通讯作者

李建荣教授

北京工业大学

李建荣，教授，博导。从事新型多孔材料研究，已发表科技论文 320 余篇，部分第一或通讯作者文章发表在Nature Mater.、Nature Energy、Nature Chem.、Chem. Rev.、JACS、Angew.、AM、EES、AIChE J.等期刊上，SCI 他引 35000 余次；参编专著章节 8 章；授权国内外发明专利 40 余件。主持或参与国家自然科学基金委杰青、重点、创新群体，科技部重点研发计划等项目。科研成果获国家自然科学二等奖、天津市自然科学一等奖、山西省自然科学一等奖等。入选“万人计划”领军人才、北京战略科学家、“科睿唯安”全球高被引学者 (2017-2021)，获“亚洲杰出科研工作者和工程师奖”等。

任北京工业大学研究生院常务副院长，绿色催化与分离北京市重点实验室主任，兼任中国化工学会精细化工专委会、分子辨识分离工程专委会委员、北京海外高层人才协会副理事长、北京碳中和学会副理事长、Green Chem. Eng.、《中国化学快报》、《无机化学学报》等期刊编委。