金属有机骨架化合物(MOs)的研究进展

陈文亮

（淄博高新区精细化工和高分子材料研究院，山东 淄博 255000）

金属有机骨架化合物，即MOFs,是由金属元素与桥梁的有机配体在配位键的作用下组装合成的一种新型组合材料。MOFs是一类具有规律性网络结构的晶态多孔材料，可以与不同金属和配体组合成化合物，根据不同需求设计出相应的空间结构。基于MOFs材料独特的骨架分子结构，导致其具备了其他传统材料所缺乏的优势，例如可塑性、多孔、大比表面积等特点[1]。MOFs的研究为当前科技发展提供了诸多便利，实验结果表明，MOFs在气体储存、催化、药物释放等方面都发挥着重要作用，与其他材料相比，效果更佳显著。本文将在参考他人的研究既相互上，对MOFs的合成方法及应用状况进行论述，具体分析了MOFs具备的优势，同时也指出了当前MOFs发展应用上存在的不足和面临的挑战，需要进一步不断完善，与时俱进，才能够更好地推到MOFs的研究与发展，实现MOFs的最优化利用[2，3]。

1 MOFs的合成方法

MOFs材料具有较强的可设计性、且孔隙率高、固体密度小等，周期性的网状结构赋予了其诸多功能。MOFs并不是自然存在的一种材料，而是需要在外力借助下才能合成的化合物材料。研究总结发现，目前MOFs常见的合成方法主要有如下几种。

1.1 机械化学法

机械化学法，即在机械的强制作用下发生化学反应，从而达成预期效果。更为客观的解释是，在无法使用有机溶剂或有机溶剂含量较少的情况下，需要通过机械施加的外力作用，例如挤压、研磨等形式，将机械的功转移到反应物上，从而在机械能的推动下激发其发生物理或化学质变。

在Chen等的课题研究中通过使用机械化学合成法，改变溶剂种类、用量、研磨时间等参数，顺利合成了金属有机骨架化合物（MOFs）中的铜基MOF-505。MOF-505是MOFs的一种类型，是以铜为基本金属元素与有机配体进行配位组合而成的。后续该组成员又对MOF-505的合成过程进行了调整和完善，选择Cu（OAC）和H4 bptc为主要原料，添加控制辅助剂N-二甲基甲酰胺，用量约为0.4ml，机械研磨控制在80分钟左右，优化过程后得到了MOF-505-K,比表面积与之前的MOF-505要更大，所以在相同环境下，MOF-505-K能够吸附更加多的CO2，在环境保护和工业应用中有较好的利用空间。随着MOFs研发的不断深入和完善，MOFs的发展将会越来越好。

1.2 微波辐射法

微波辐射法即通过微波加热技术，让物质体内的分子结构在受高温影响后发生高频往复运动，微波加热技术与传统加热技术相比，最显著的一个特点在于其不需要通过中介物质将热传导给第三者，可以直接进行加热，而且受热面积更加均匀，所以微波辐射法也是当前MOFs材料合成的重要途径之一。在国外学者Babu等人的研究中就曾运用微波辐射法成功顺利合成了MOF-205，且空间结构呈现出双孔三维立体型。MOF-205作为MOFs化合物中的一种成分结构，能够快速催化化学反应，可以有效溶解大气层中的二氧化碳和环氧化物，减少空气污染。最新科学研究显示，通过微波辐射法，只需要短短90s就能够快速形成MOFs膜，截止至今，创造了MOFs膜形成的最短时间。

1.3 溶胶-凝胶合成法

溶胶-凝胶合成法即通过有机溶剂将物质进行分解，然后在溶胶、凝胶的作用下组合形成新的物体。而MOFs所运用的溶胶-凝胶合成法也基本大同小异，具体而言，是针对一些化学活性成分较高的物质，在常规外力和环境下不易发生变化的，需要通过溶液、凝胶等溶剂的辅助工艺形成固态，随后通过热加工组合成需要的氧化物或者其他化合物固体。在Tina等人探索溶胶-凝胶法形成MOFs材料时，在溶胶-凝胶作用下可以通过添加Cu2+和有机配体均苯三甲酸溶液就可以形成初级MOFs颗粒，然后通过离心和洗涤处理，将那些还未产生反应或依旧存在较强活性成分的分子去除掉就能够得到最终的MOFs固体化合物。值得注意的是，在最后的组合过程中不需要再添加任何粘合剂来推动固化效果，也不需要将物体处于高压环境下，整个合成环境仅保持在温和状态下就能够自然而然地慢慢发生固化改变，形成MOFs固体材料。

1.4 其他方法

除了上述实验室比较常见的MOFs合成方法之外，在最近的研究中还发现了其他合法方法，例如气相合成法、水热法和电化学法等。通过不断研究证明，使用这些方法也能够顺利组合成金属有机骨架化合物。比如，在气相合成法作用下，运用ZnO前体和2-甲基咪唑蒸汽就能够形成MOFs膜；通过不断搅拌反应器使其产生连续加热反应就能够利用水热法形成MOF-5；在蓄电材料和导电聚合物聚苯胺的共同合作下形成电化作用，能够催化形成PANI-ZIF-67-CC材料，并可以有效提高此类MOFs材料的电容。

2 MOFs 的应用

随着MOFs材料的研究深入，越来越多人发现其在工业发展上发挥着关键作用，比如说能够快速汲取气体中的水分；多孔的空间结构不仅能够有助于气体储存，还能够将气体进行层次分离；同时在催化、药物输送等方面也有着显著效果。

2.1 吸水

水是生命之源，也是人们日常生活中不可或缺的重要成分。近年来，由于工业产业的快速发展，不合规的污水排放让一部分淡水资源被严重污染了，导致目前淡水资源严重匮乏，严重影响了可持续发展，也对日常生活造成了威胁。

通过国外学者研究发现，将带有金属元素锆的MOFs材料放置在铜板上，置于冷凝板和太阳能吸收单元之间,可以惊喜发现该装置在太能光照作用下可以将大气层中的水分顺利汲取。而且实验数据显示，在保证充足的光照条件下，一公斤的MOFs材料的能够从湿度为20%的空气层中汲就取约2.8L的水。空气中的水分都是从地表面上吸收而来的，由于当前的科技水平还不能够将地面上的水分进行完全收集和加工处理，所以MOFs的研制能够直接从大气层中汲取水分可以有效改善目前科技缺陷，而且这种吸水形式更加方便、快速，能够储存更多的水资源。同时，还有部分学者发现在天然气的使用流程中存在脱水处理这一环节，可以将脱水处理下来的水资源进行重新加工、处理再利用。由于天然气运输的特殊性，在运输之前一定要将其内含有的水分含量抽干，使其完全处于脱水状态才能够进行运输，这样可以有效避免运输管道因水渍影响引发腐蚀等问题。这种金属有机骨架化合物AIFFIVE-1-Ni，又被称为KAUST-8。可以将天然气中的水分进行吸收。并且KAUST-8这种MOFs材料还可以循环利用，既环保，又能够将天然气中附着的水分子完全吸收，实现天然气的脱水运输。

2.2 载药应用

由于MOFs材料具备的多孔结构，让其能够在药物运载方面发挥至关重要的作用。在课题研究和讨论中，国外专家曾经将布洛芬吸附在MIL-53(Cr、Fe)上，并让其担任药物传输的载体。实验数据表明，MIL-53（Fe）和MIL-53（Cr）所吸附的药物含量是相同的，占其重量的五分之一，由此可以知道，金属有机骨架化合物材料MIL-53对药物的吸附能力是相同的，并不会因金属因子的不同而有所改变。吸附在MIL-53中的布洛芬将会在21天后在无动力的条件下进行释放。

2.3 储存气体

由于人们对传统能源的过渡开发和利用，不仅导致生态环境平衡遭到了破坏，全球逐渐变暖，还造成当前传统能源严重缺乏。在近阶段研究中发现氢气不仅燃烧热值高，而且其燃烧后的产物还是水，也不会对环境造成损坏，所以氢气作为可以替代的可清洁能源。但是氢气由于密度过低，需要满足一定条件才能够进行储存，所以如何便利储存氢气成为了其发展的瓶颈。随着对金属有机骨架化合物研究的深入，发现其在储存气体具有明显功效。通过微波辐射法合成的金属有机骨架化合物MDC，作为MOFs材料的其中一类，也同样具备了分层孔结构。与传统材料相比，MDC具有更好的孔隙率和较高的比表面积，在同等条件下，MDC能够比传统的材料多存储超30%的氢气。不仅如此，其在存储其他气体方面也同样具有明显优势。

2.4 催化应用

MOFs与传统多孔材料相比，其在催化方面的应用成效更加突出。研究发现，MOFs的化学活性分子较为分散，所以在催化过程中很容易使其发生作用。而且在同一个金属有机骨架化合物中，不同的官能团或活性位，更能激发协同反应，当某一个被催化时，其他的也会被感染一同催化。

3 总结与展望

MOFs材料的出现完全弥补了当前已有材料中的缺陷，能够更好地服务于工业发展。但是随着研究的不断深入，MOFs的合成也不再局限于某个领域，开始挖掘更多新的MOFs材料，应用领域不断扩展，MOFs种类也随着需求的增长而不断变多。但是随着MOFs的数量增多，在其快速发展中也存在了一些问题。首先，也由于其内部独特的分子结构，孔隙率较高，虽然能够在其他应用方面发挥优势，但是不可避免地也会造成MOFs材料的不稳定性。其次，作为一种新型合成材料，MOFs在发展中还会遇到其他同类型材料的竞争，不仅要不断完善技术问题，还要考虑合成成本，较高的生产成本将难以在市场上进行大范围地推广，所以要降低成本，选用较低的有机配体和合成工艺，才能够更好地迎合市场需求，被市场所应用。