用于二氧化碳捕集的阴离子柱杂化金属有机框架材料

二氧化碳(CO₂)等温室气体浓度提高引起的全球变暖危机已成为全球关切的焦点.为应对这一难题,当前已开发出多种碳捕集技术来减少CO₂的排放.近年来,基于多孔吸附材料的碳捕集技术因具有自身独特优势引起了全球研发人员的广泛兴趣.金属有机骨架(MOFs)材料因其高度有序的孔结构和极为丰富的结构可修饰性,被认为是本领域中极具应用前景的新型多孔材料之一.然而大多数常规MOFs材料通常存在吸附容量与选择性之间的取舍问题,近年来发展的阴离子柱杂化MOFs(APMOFs)材料由于结构中存在有丰富氢键受体的阴离子柱配体,可通过孔道尺寸、形状和化学性质之间的协同效应,同时满足对于高吸附容量和高选择性性能的要求,因而受到了本领域研究者的广泛关注.本文依据材料的吸附性能和稳定性特点,将APMOFs划分为四代发展,综述了该材料近10年来在二氧化碳捕集的研究进展,并指出在未来走向商业应用中面临的机遇和挑战.     

MOFs作为牺牲模板制备纳米多孔碳材料的方法及其应用

近年来,多孔材料因具有较高的比表面积、较低的相对密度以及较好的吸附性能等吸引了化学、物理以及材料等领域科研人员的研究兴趣,已被广泛应用于气体储存、吸附催化和电化学等方面.金属有机骨架(MOFs)材料作为近年来迅猛发展的新兴多孔材料,由于具有有序、规整的结构,较高的比表面积以及结构可调等特性,使其较传统多孔材料具有更诱人的应用前景.然而,由于MOFs具有相对较差的稳定性,其实际应用和发展受到了很大的限制.为了进一步推进MOFs材料的应用进程,可利用MOFs材料受热易分解的缺点,将其高温煅烧碳化制备稳定的纳米多孔碳材料.本文综述了MOFs作为牺牲模板煅烧制备纳米多孔碳材料的方法及其应用,并且展望了其在能源、环境以及催化方面的应用前景.     

金属-有机骨架材料用于放射性核素吸附

随着人类越来越多地使用放射性核素,放射性核素废料会对环境造成一定的威胁,并最终对人群健康造成危害.金属-有机骨架(metal-organic frameworks,MOFs)材料作为一种新型材料由于具有比表面积大、孔隙度高及结构多样性等特点而广泛应用于气体吸附存储、催化、光学元件、传感、色谱分离和生物医学等领域.目前,将MOFs材料用于放射性核素的吸附开始引起放射化学与环境科学家的广泛兴趣.本文综述了MOFs材料用于部分放射性核素吸附的研究进展,包括MOFs合成方法、特性以及用于碘、氙、铀及钯等放射性核素的吸附分离,并对MOFs材料用于吸附放射性核素的前景进行了展望.     

金属有机骨架材料在锕系阳离子吸附应用中的构效关系

近年来,随着核能在我国的崛起和发展,开发简单、高效、应用性强的吸附材料用于锕系阳离子的吸附分离变得愈加迫切.金属有机框架材料(metal-organic frameworks, MOFs)由于其合成简单、结构可控、功能易调、孔隙率高、比表面积大等特点被认为在锕系阳离子吸附分离领域具有广阔的应用前景.本文从材料设计角度出发,综述了MOFs用于锕系阳离子吸附分离的最新研究进展,着重讨论了表面修饰、缺陷、功能复合、金属节点等对MOFs吸附性能的影响,以厘清MOFs材料在锕系阳离子吸附应用中的构效关系.最后,提出了目前MOFs用于锕系阳离子吸附分离存在的问题,并对未来的相关研究方向进行了展望.     

MOFs作为模板制备锂离子电池负极材料的研究进展

金属-有机框架(MOFs)材料具有易制备、易修饰、高孔隙率、大比表面积、多化学活性位点、可调孔径大小等优点,已被广泛应用于能源储存与转化相关领域.本文介绍了MOFs直接作为锂离子电池负极材料的研究现状,同时重点综述了MOFs衍生材料(多孔碳、过渡金属氧化物、金属氧化物/碳质复合材料、金属/金属氧化物)的制备方法及其在锂离子电池负极中的应用,提出了此类材料作为锂离子电池负极材料需要重视的问题和面临的挑战.通过高温煅烧或者可控的化学反应等方法,MOFs材料可以简单方便地转化为传统的无机功能材料(金属化合物或碳).这些材料具有结构可调和化学成分多样化等优点,可以进一步提升电化学性能.最后,展望例如MOFs衍生材料在电化学储能和转换的发展方向和应用前景,为定向合成此类材料在电化学方面的应用提供有意义的实验基础和理论价值.     

热解法制备MOF衍生多孔碳材料研究进展

纳米多孔碳材料因其丰富的空隙、大比表面积及易于设计等特点在工业上展现出巨大的应用潜力,而通过调控其组成结构以获得更优的性能并实现制备成本的控制一直是研究的重点.金属有机框架(MOFs)作为一种新型的晶态多孔材料,具有组成可调、结构多样、孔径可控等特点,在催化、能量储存和转化、气体储存、环境修复等诸多方面受到了广泛的关注.特别地,基于MOFs的结构与组成,MOFs被用作制备各种形式的纳米多孔碳材料以及新的多功能碳基复合材料的通用前体,与单个组件组装的复合材料相比,它往往表现出更优越的功能特性.本文综述了近年来采用MOFs热解的方法制备多孔碳材料的设计原理和策略,为获得高性能多孔碳及其复合材料提供借鉴并给出了未来的发展前景和挑战.     

多壳层空心MOFs材料对水体中抗生素的高效吸附

通过多步生长及刻蚀的策略构筑了不同壳层空心结构的金属-有机框架材料(MOFs),研究了实心MIL-101、单层空心MIL-101(SSHM)、双层空心MIL-101(DSHM)和三层空心MIL-101(TSHM)对水体中抗生素的吸附行为.吸附数据表明壳层数的增加有利于土霉素和四环素吸附,其中三层空心MIL-101对土霉素和四环素的吸附量分别达到76和95 mg/g,吸附效率达到76%和48%,达到实心材料3倍吸附效率.循环测试表明TSHM对水体中抗生素吸附效率比较稳定,经过4次吸脱附后仍然具有良好的结晶性和形貌稳定性.研究表明MOFs中暴露更多的活性位点和多壳层结构有利于提高客体分子的吸附和存储,对多壳层MOFs材料拓展吸附应用方面具有指导意义.     

石墨烯片层孔道设计及其结构调控

石墨烯——最薄的二维碳材料,因其具有卓越的机械、光学、电子和热性能,使其在复合材料、电子器件、能源储存和吸附分离等许多领域都具有广泛的应用.石墨烯筛(graphene nanomesh)作为一种在石墨烯片层引入纳米孔的多孔石墨烯,除了具有石墨烯本身固有的特性之外,其可调控的孔结构设计为石墨烯筛功能性应用提供了新的选择.本文综述了常见的石墨烯筛合成方法并展望了其未来发展前景.     

工业源挥发性有机物治理功能材料研究进展

挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)是大气中一类重要的污染物质,即使在低浓度下也会对人类的健康造成威胁。对VOCs的治理刻不容缓,而VOCs治理关键功能材料性能的优劣是整个VOCs治理技术的核心。文章总结了近年来用于吸附法、光催化法以及催化燃烧法治理VOCs的功能材料的最新科研成果,希望以此能够为将来VOCs治理材料的设计与研发提供一定的参考。     

缺陷化金属有机骨架材料的合成及其污染控制应用

金属有机框架(MOFs)由于具有高孔隙率、大比表面积以及可调的结构和组成等固有特性而在污染控制领域吸引了越来越多的关注.在MOFs的合成过程可设计和生成缺陷,其存在使材料在污染物吸附和催化降解方面具有优异的特性.本文着重于MOFs的缺陷分类,介绍了将缺陷引入MOFs的方法以及缺陷对MOFs理化性质影响方面的最新和重要进展,重点论述了缺陷MOFs作为吸附剂和催化剂在去除污染物方面的应用.基于此,提出了目前污染控制时缺陷MOFs存在的优缺点并提出了MOFs缺陷构造在环境应用方面未来的研究方向.     

金属-有机框架在光催化中的应用

为了缓解并最终解决能源问题,自20世纪至今,人们一直在探索如何利用光能如太阳光高效环保地将水分解生成清洁能源氢气,以及利用光能实现人工二氧化碳的还原过程(模拟光合作用).金属-有机框架(metalorganic frameworks,MOFs)具有独特的物理和化学性质,如超高的比表面积、可设计和精确控制的孔洞、对光生电子的多种传递机制、方便与染料分子连接、或是可直接引入具有优异光学活性的配体和金属.作为一大类近二十年来迅速发展的微孔/介孔材料,在光催化领域引起了越来越多研究者的兴趣.本文通过一些代表性的实例总结了MOFs作为新兴光催化材料的独特优势和内在优点,展望了MOFs在光催化应用中的机遇和发展前景.首先介绍了MOFs的基本概念和特性,阐述了相对于其他材料而言,MOFs的独特优势,并解释了为何它能在光催化领域引起广泛的关注;之后将用于光催化的MOFs分成3大类,分别是:(1)依靠无机金属簇作为半导体结点的MOFs;(2)引入具有光活性的有机连接体(即配体)的MOFs;(3)以及利用超分子化学中主-客体相互作用,在孔洞中包覆氧化还原物种的MOFs,其中又细分为包覆纳米粒子或者金属催化剂、多金属含氧酸盐和其他纳米复合材料3个小类;最后,总结了MOFs在光催化中应用时仍需解决的问题,展望了该领域的研究方向.     

金属-有机框架在锂离子电池正极材料中的应用

金属-有机框架(MOFs)材料具有容易制备、高孔隙率、容量大、种类丰富等优点,在能源储存和转化领域受到广泛关注,是合成高性能电极材料的潜在模板.本文介绍MOFs直接应用于锂离子电池正极材料的研究进展,重点综述了MOFs衍生材料(硫化物、氟化物、聚阴离子型化合物或锂的过渡金属酸盐)的制备方法,及其在锂离子电池正极中的应用.最后总结MOFs及其衍生材料在锂离子电池正极材料的应用方向及发展前景,为新型电极材料的开发提供参考经验.     

基于MOFs的多孔碳材料在吸波方面的研究进展

多孔碳材料由于其较高的比表面积、质轻、电磁衰减能力强等特点,作为吸波隐身材料获得科学家越来越多的关注.金属-有机骨架(MOFs)材料由于其有序规整的结构,以及结构和功能可设计性等优势而成为材料化学各个领域的研究热点. MOFs经高温煅烧可制备结构有序的多孔碳复合材料,近年来在电磁波吸收方面也有优异的表现.本文综述了基于MOFs的多孔碳复合材料作为微波吸波剂的吸波性能、优势、制备方法和在吸波方面的研究现状,并展望了基于MOFs的多孔碳复合吸波材料的发展方向.     

吸附法碳捕集技术的规模化应用和挑战

实现2030年碳达峰和2060年碳中和是能源领域的当前决策和长远愿景,为此必须更加紧密结合全球能源发展趋势及国家能源策略,在碳捕集与封存领域投入研发力量.近几十年来,吸附法作为一种极具应用潜力的碳捕集技术得到了快速发展.例如,对高性能吸附剂的开发进行了大量探索;适用于碳捕集的吸附循环过程得到了显著的发展;先进的吸附剂结构和装置不断被提出;将吸附过程与其他分离和/或反应过程进行耦合的复合吸附技术得到了广泛关注;吸附法碳捕集技术的应用领域也得到了拓展.为此,本文介绍了各种吸附法碳捕集循环过程,归纳总结了目前超出实验室级别装置(技术成熟度TRL5～7)的技术特点、分离性能、运行能耗和成本,应用场合包括了燃烧后碳捕集、燃烧前碳捕集和直接空气碳捕集.对吸附法碳捕集技术作了评述,指出了其在未来发展中面临的机遇和挑战.     

本期内容简介

<正>现今人工智能取得巨大成就,给人类提出新的挑战。我刊特别邀请郭毅可院士撰写《踏踏实实地研究人工智能》一文,探讨了人工智能的发展和机器学习的研究方向。挥发性有机物(volatile organic compounds, VOCs)是大气中一类重要的污染物质,而VOCs治理关键功能材料性能的优劣是整个VOCs治理技术的核心。吴明红团队的《工业源挥发性有机物治理功能材料     

生物质基氮掺杂多级次孔碳材料制备及其锂硫电池性能

锂硫电池因具有较高的理论比容量和能量密度、价格低廉等优势,在动力汽车和大规模储能系统中有广阔的应用前景.发展锂硫电池,设计制备低成本和高性能的电极材料是关键.本文利用廉价生物质废弃物(虾壳)作为原料,通过简单、绿色的水热碳化和二氧化碳碳化/活化过程制备了三维氮掺杂多级次孔碳材料,并将其作为载体负载硫制备锂硫电池正极材料.该制备过程避免了传统活化过程中危险化学品的使用及活化后材料清洗的过程.水热碳化和活化步骤均对材料孔结构的形成具有重要作用.通过氮气吸附、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼(Raman)等表征方法对材料形貌、孔结构、功能基团等进行了深入研究.研究结果表明,得到的材料是具有高孔隙率的微孔-介孔-大孔碳材料,比表面积高达1190m~2/g.由于材料具有多级次孔结构,有利于硫的有效负载.同时,材料中的石墨氮可以提高材料的导电率,吡咯氮和吡啶氮在限制多硫化锂(Li_2S_n,4≤n≤8)中发挥了重要作用,从而使得材料在锂硫电池中具有较好的倍率性能和循环性能.另外,本文为生物质或生物质废弃物转化为功能多孔碳材料提供了一种新的绿色途径.     

二维材料气体分离膜及其应用研究进展

二维材料气体分离膜由于其独特的分子输运特性,在渗透率、选择性方面表现出优于传统薄膜的优势,具有巨大的发展潜力.石墨烯类、二维金属有机骨架、二维过渡金属碳化物/碳氮化物等二维材料中存在的亚纳米尺度空间为分子输运提供了特殊的通道,包括纳米孔和纳米通道,它们是高渗透性和高选择性分子筛选的根本原因.然而,二维材料薄膜在复杂工业环境中的不稳定性、难以进行大面积制备等使其实际应用受到了很大的局限,目前二维材料膜尚未大规模应用于工业生产中.本文选择性地对当前研究的热点二维材料气体分离膜研究现状进行总结,同时对其在CO₂捕获和分离、H₂分离和提纯、天然气提氦等领域的具体应用进行阐述,并且探讨了二维材料气体分离膜当前所面临的挑战与未来发展前景.     

金属有机框架/聚合物气体分离膜的界面结构设计研究进展

气体分离膜技术在节能减排领域具有突出优势,是一项具有很大发展潜力的气体分离技术.基于金属有机框架/聚合物的混合基质膜兼具聚合物膜材料的易加工性和金属有机框架的优良气体选择吸附特性,受到全球学者的关注.如何有效调控两相界面处微观结构,改善混合基质膜材料的气体分离性能是混合基质膜领域的关键问题.针对这一热点问题,主要综述了近几年学者在金属有机框架/聚合物基混合基质膜的界面结构设计优化、膜材料构效关系研究、膜的规模化制备等领域的研究现状与进展.重点介绍了如何优化与表征界面结构以及金属有机框架与聚合物对膜性能的影响规律两个方面.此外,对混合基质膜材料未来的发展方向进行展望,以期为高性能混合基质膜的理性设计等方面提供研究思路.     

低温MOCVD法制备铜纳米棒

选用乙酰丙酮铜Cu(acac)₂为前驱物, 氢气为反应气, 采用低温有机金属化学气相沉积法(MOCVD)在介孔基质SBA-15中合成出了铜纳米棒. 该反应过程中, 氢气起了重要作用, 一方面氢将金属有机物的配位还原, 从而使其更容易扩散进入SBA-15孔内部, 同时氢也将二价铜离子还原为金属铜, 从而得到铜棒. 这种铜纳米结构由于具有独特的光学、磁学及电学特性, 因而在半导体研究领域中有潜在的重要应用价值. 另外, 研究还发现基质SBA-15的表面特性对于合成该铜纳米结构有重要影响, 将一层碳覆盖于基质表面后, SBA-15由亲水表面变为憎水表面, 更加有利于有机铜的吸附和铜离子在其内表面的沉积. 该合成方法简单, 反应只需较低的反应温度(400℃)和真空度(2 kPa), 实现了温和条件下制备铜纳米棒状材料.     

荧光三维共价有机框架的研究进展

共价有机框架(covalent organic frameworks, COFs)是一种由有机分子构筑单元通过共价组装形成的二维或三维晶态有机多孔材料,是当前化学和材料科学领域的前沿研究方向.其中,荧光COF因其具有较高结晶性、固有的开放多孔结构及稳定性等特点,在荧光传感领域中的应用受到广泛关注.目前,荧光COF的研究主要集中于层状堆积的荧光二维COF,荧光三维COF的报道则较少.事实上,三维COF中分子构筑单元通过共价键连接在三维空间延伸扩展,可有效抑制荧光基团因堆积引起的荧光猝灭过程,是一种构筑发光材料的理想平台,引起研究者的关注.本文首先综述了近年来荧光三维COF的合成方法,包括直接合成法及后合成修饰法.其次,总结了荧光三维COF在爆炸物检测、挥发性有机物检测及金属离子检测方面的传感应用.此外,简要介绍了荧光三维COF在发光器件和成像方面的研究进展.最后,还对荧光三维COF所面临的挑战及未来的发展前景进行了讨论,旨在为荧光三维COF的设计、合成和应用提供参考.