《MOFs材料介绍》课件

材料概览MOFs金属有机骨架材料是一类由金属离子和有机连接团组成的晶体多孔材料MOFs其独特的结构和性质使其在吸附、分离、催化等领域广泛应用让我们一起了解这种新型多功能材料的基本特性材料简介MOFs分子结构是一类由金属离子和有机配体通过配位键结合而成的多孔晶体材料MOFs可定制性材料的种类众多可以通过选择不同金属和有机配体来调控其结构和性质MOFs,高比表面积材料具有极高的比表面积可达数千平方米每克非常适用于吸附和催化MOFs,,材料的定义MOFs金属有机骨架材料三维网络结构应用广泛-是一种由金属离子和有机配体通过配材料由金属离子和有机配体自组装形材料因其突出的结构特性和多样的功MOFs MOFs MOFs位键构成的多孔晶体材料具有独特的拓扑成三维开放框架结构拥有大表面积和可调能在气体吸附、分离、催化、能源存储等,,,结构和可调的孔道尺寸的孔隙特性领域有广泛应用材料的结构特点MOFs是一类由金属离子和有机配体通过配位键构建的结构有序、MOFs可调控的多孔功能材料其独特的结构特点包括:•高比表面积和大孔隙率•拓扑结构可调、孔道尺寸可设计•丰富的金属离子和有机配体种类•多样化的晶体结构和孔道形状材料的分类MOFs基于金属离子基于有机配体12材料可以根据金属离子材料也可以按照有机配MOFs MOFs种类分为铜基、铝基、镍基、体的种类划分为羧酸类、氮杂锌基等不同类型环类、多取代芳香族类等基于孔径大小基于结构拓扑34材料还可以根据孔隙尺从结构拓扑角度来看，MOFs MOFs度分为微孔、介孔和大孔三大材料可分为一维、二维和三维类等不同维度的框架结构金属离子种类过渡金属碱金属包括铁、铜、锌等常见的金属离如钠、钾离子具有高电负性可形,,子具有可变的氧化态和高的配位成离子键与有机配体结合,能力稀土金属主族金属包括镧系元素具有独特的电子如镁、钙等金属离子可提供金属,4f,结构可产生丰富的光学和磁性性中心并调节材料的结构,MOFs能有机配体种类有机酸类吡啶类杂环类醚类广泛应用的有机酸配体包括丙吡啶衍生物如联吡啶等吡咯、吡啶、咪唑等含氮杂环乙二醇、丙二醇等含氧配体能4,4-,二酸、对苯二羧酸和三羧酸等能够通过原子与金属离子配配体可与金属离子结合形成够与金属形成富含孔道的,N,可形成稳定的金属有机框架结位构建多样化的结构热稳定性良好的材料结构用于气体吸附和分,MOFs MOFs MOFs,构离材料的合成方法MOFs溶剂热法利用有机溶剂在高温高压下反应合成材料可得到高结晶性的产品MOFs,微波法利用微波加热快速反应合成材料反应时间短能耗低制备效率高MOFs,,,电化学法通过电化学反应在电极表面生成材料可实现连续化和自动化合成MOFs,溶剂热法高温反应控制性强利用密闭高温条件下的溶剂反应通过调节温度、时间、等参数pH,来制备材料可以获得结构可以有效控制材料的形貌和MOFs,MOFs有序、晶体性好的产品尺度适用性广溶剂热法适用于多种金属离子和有机配体的组合可制备结构多样的,MOFs材料微波法简介优势适用性局限性微波法是一种快速高效的相比传统加热方式微波法能微波法适用于多种体系微波反应对反应物和反应容器,MOFs材料合成方法它利用显著提高晶体生长速度缩短的合成如金属有机配位聚合有特殊要求需要精心设计和MOFs,,-,微波辐射能直接加热反应溶液反应时间并可以制备出高结物、金属氧簇等同时也适用优化反应条件以确保反应均,,,可以大幅缩短反应时间提高晶度、高表面积的材料于大规模工业生产匀性和可重复性,MOFs反应速率和产物收率电化学法电极反应绿色环保产品可控性电化学法利用电极反应过程中的氧化还原反电化学合成过程温和、无需高温高压等条件通过控制电流密度、电位等参数可以调控,,应合成材料反应过程可精确控制符合绿色化学原则环境友好的结构、孔隙率等性质MOFs,,MOFs材料的性能MOFs比表面积孔隙率12材料具有极高的比表面材料具有丰富的微孔结MOFs MOFs积可达到平方米每克以构和介孔结构孔隙率可达,5000,90%上为气体吸附和多种催化应用以上为气体储存和分子筛分应,,提供了良好的基础用提供了优势热化学稳定性功能可调34材料的热稳定性和化学通过设计不同的金属离子和有MOFs稳定性较高在温度和范围机配体可以制备出具有多种功,pH,内能保持结构完整性为实际应能的材料满足不同应用,MOFs,用提供保障需求比表面积比表面积是衡量材料孔隙发展程度的重要指标之一通过精细调控MOFs MOFs材料的结构和组成可以大幅提高其比表面积下表列举了几种典型材料,MOFs的比表面积数据可以看出它们的比表面积普遍很高,材料比表面积MOFs m²/gMOF-1774,500MOF-53,800HKUST-11,500MIL-1015,900孔隙率95%最高孔隙率某些材料可达到的极高孔隙率，比传统多孔材料高出数倍MOFs95%

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3.6表观密度材料的表观密度通常在之间，远低于一般固体材料MOFs

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3.6g/cm³5000最大孔径某些材料可达到的超大孔径，为吸附和分离应用提供了独特优势MOFs5000Å热化学稳定性材料具有优异的热化学稳定性这是其广泛应用的重要基础合适的金属离子和有机配体的选择以及合理的合成工艺可以显著提高MOFs,,材料的热稳定性研究发现一些金属离子和疏水性的有机配体有助于增强材料的热稳定性同时材料的热稳定性还与MOFs,MOFs,MOFs其孔道结构和比表面积等性质密切相关材料的应用领域MOFs气体吸附与储存分离与催化材料具有超高的比表面积和孔材料可根据孔道尺寸及化学性MOFs MOFs隙率能有效吸附和储存气体如氢气、质对不同物质进行分离同时作为催化,,,甲烷等在清洁能源领域有广泛应用剂在化工、环保等领域发挥重要作用,能源存储生物医药材料可应用于锂离子电池、燃材料亲和力强、生物相容性好MOFs MOFs,料电池等能源存储设备提高能量密度可用于药物载体、生物传感器、组织,和循环寿命工程等医疗卫生领域气体吸附与储存高吸附容量可调孔结构12材料具有超大的比表面通过设计和调控材料的MOFs MOFs积和丰富的可调孔结构可以实金属离子和有机配体可以制备,,现高效的气体吸附和储存出针对不同气体的高选择性吸附剂低能耗释放应用广泛34材料与常规吸附剂相比材料在氢气、天然气、MOFs,MOFs在气体吸附和释放过程中需要二氧化碳等气体的储存和分离的能量消耗更低领域都展现出良好的性能分离与催化高效分离材料具有超大比表面积和可调的孔结构可用于高效分离分子、离子和气体MOFs,优异催化材料中的金属离子可作为高活性催化中心配合有机配体提供丰富的活性位点MOFs,可调选择性通过合理设计的金属和有机配体可实现对目标物质的高选择性分离和催化MOFs,能源存储电池储能超级电容储能材料可用于制造高性能电池材料优异的比表面积和良好MOFs,MOFs提高电池容量和循环稳定性的导电性使其成为理想的超级电,容器电极材料氢气储存太阳能电池应用材料可通过高比表面积和孔材料可用于制造染料敏化太MOFs MOFs隙结构实现高效的氢气吸附和储阳能电池提高光电转换效率,存生物医药药物制造生物成像生物传感材料可用于制药过程中的催化反应和材料的高孔隙率和可修饰性使其成为材料优异的传感性能使其在生物传感MOFs MOFs MOFs药物运输等关键环节提高药品质量和生产理想的生物成像探针可用于疾病诊断领域广受关注可用于实时监测生物分子和,,,效率生理指标材料的研究现状MOFs国内研究概况国外研究概况近年来中国在材料的研究方面取得了显著进展多个顶尖国外的材料研究起步较早凭借雄厚的基础研究积累在材料,MOFs MOFs,,高校和研究所建立了专门的研究团队在材料合成、性能调控、应设计、制备、表征等方面处于国际领先水平美国、欧洲和日本,用开发等方面取得了一系列重要成果等地区拥有众多优秀的研究团队MOFs国内外研究概况国内研究团队活跃国际合作频繁在材料研究领域中国科国内外研究团队广泛开展合作MOFs,,学家一直保持积极的投入和贡献充分利用各自的优势为,,MOFs在合成设计、性能改善等方面取材料的创新发展注入了强大动力得了令人瞩目的成果未来发展前景广阔随着对材料性能和应用的不断深入认识其在能源、环境、生物医药MOFs,等领域的应用潜力备受期待国内研究团队介绍中国科学院理化技术研究所南京大学材料科学与工程学院华中科技大学化学与化工学院该团队致力于开发具有独特结构和功能的南京大学材料科学与工程学院材料华中科技大学化学与化工学院材料MOFsMOFs材料在吸附分离、气体储存等领域研究团队由袁亚芳教授带领在结构研究团队由朱广山教授领导在材料MOFs,,MOFs,MOFs取得了一系列重要成果团队由杰出科学家设计、功能调控等方面做出了重要贡献合成、表征和应用方面取得了一系列创新性张先锋教授领导成果国外研究团队介绍美国德国马普研究所MIT由教授领导的研究教授领导的团队Omar YaghiStefan Kaskel团队在材料合成、表征和应通过系统的实验和理论研究，在MOFs用方面取得了多项重要突破，在材料的结构设计、功能调控MOFs晶体工程、气体分离、催化等领和能源应用等方面取得了多项世域做出了卓越贡献界级成果英国剑桥大学日本东京大学教授带领的教授所在的Andrew GoodwinSusumu Kitagawa团队擅长利用高压技术合成新型团队在气体分离与存储、生物医材料在相变储能和无机有用等领域开发出多种具有独特骨MOFs,-机杂化材料设计方面做出了重要架结构和功能性的材料MOFs贡献材料的前景展望MOFs发展趋势材料的合成方法不断优化性能也有显著提升在多个领域展现巨大应用潜力MOFs,,研究难点提高材料的稳定性和规模化生产仍是当前研究的主要挑战MOFs前景展望相信在科研人员的不懈努力下材料必将在未来众多领域获得广泛应用,MOFs发展趋势分析材料多样性应用多元化工艺优化性能提升材料的化学组成和结构材料正广泛应用于气体材料的合成方法不断优材料的热稳定性、化学MOF MOF MOFMOF正变得越来越多样化可实现吸附、分离、催化、能源存储化为大规模生产和商业应用稳定性等关键性能持续改善,,,对材料性能的精细调控等领域展现出巨大的应用前奠定基础满足更广泛的应用需求,景未来应用方向能源存储气体分离与存储材料可用于高容量储能电池材料优异的比表面积和孔隙MOFsMOFs和超级电容器提高能源利用效率率有利于吸附和储存天然气、氢,气等重要气体生物医药应用环境治理材料可作为药物载体和诊断材料可用于污染物吸附、催MOFsMOFs试剂提高治疗疗效和生物相容性化分解实现高效的环境修复和治,,理研究难点与挑战合成难度高热稳定性差12材料的合成工艺复杂需要精准控制反应条件实现大部分材料在高温下结构容易发生破坏限制了其在工业MOFs,MOFs,规模生产仍是挑战领域的应用缺乏标准化高成本问题34材料种类繁多缺乏统一的性能测试标准制约了其在材料的生产成本较高需要进一步降低成本以实现规模MOFs,,MOFs,实际应用中的推广应用结语材料作为一类新兴的多功能材料备受关注其优异的性能为材料科学和应MOFs,用技术领域带来了全新的发展机遇未来材料必将在吸附分离、催化、储MOFs能、生物医药等领域展现更加广阔的应用前景尽管在实际应用中仍面临不少挑战但凭借其独特的结构特点和可调的性能材料定将成为材料科学领域的,,MOFs一大研究热点为解决人类面临的重大需求提供有效的解决方案,。