基于多羧酸配体的金属-有机框架材料的合成与性能研究开.doc

基于多羧酸配体的金属-有机框架材料的合成与性能研究开题报告

指导老师：吴传德
化学系0801班姓名乐月琴学号3080103522

1选题的背景和意义
1.1选题背景和国内外研究现状
金属-有机框架(Metal-OrganicFramework，MOF)是指有机配体与金属离子通过自组装形成的具有周期性网络结构的金属-有机框架材料[1]。它集合了有机聚合物和配位化合物两者的特点，既不同于一般的有机聚合物，也不同于硅氧类的无机聚合物，而是结合了有机配体和无机金属离子两者的特点，可以通过选择适宜的配体和金属离子或金属簇，控制影响自组装的各种微妙因素，合成出具有新奇拓扑结构的金属一有机超分子，如一维链、梯子、方块、砖墙、蜂窝等，为开发新型功能材料提供了丰富的研究素材，近十年来得到了学术界的广泛重视[2-5]。金属-有机框架材料具有性质独特、结构多样化、不寻常的光电磁效应、众多的可供使用的金属离子等特点，在非线性光学、磁性、超导、催化、吸附、分离、主客体化学及生物制药等诸多方面显示了潜在的应用前景[6-7]。如在气体储存方面，由于MOFs材料大部分具有孔隙结构和特殊的构造,在气体的存储方面有潜在的应用。Yaghi等[8]对有MOF-5骨架结构的16种MOFs进行了甲烷吸附性能的研究,这些骨架的孔是均匀、周期性排列的,孔隙率达到91.1%。在36个大气压、室温下,对甲烷的吸附量可以达到240cm3(STP)·g-1。2005年Yaghi研究小组[9]的综述中对当时文献中所报道的金属有机骨架材料储氢性能进行了简要的汇总；其中MOF-505在77K(1atm)条件下表现了相对比较好的储氢能力，每克样品吸附24.8mg氢气。在吸附和分离方面，由于多孔材料特有的骨架结构和表面性质,使得其对不同的气体的吸附作用不一样,从而可以对某些混合气体体系进行分离。Kim等[10]合成了甲酸锰化合物,其表面积不是很大,约为240m2/g,但是这种金属有机骨架对氮气、氢气、氩气、二氧化碳、甲烷等具有选择性的吸附。这种材料就可以作为一种选择性分子筛,可能会有很重要的工业应用,如从天然气中脱除二氧化碳,从含有氮气、一氧化碳或甲烷的混合气中回收氢气。在充当反应器方面，MOFs的多孔性以及孔径可调性，除了能用作储存以及筛分等之外，MOFs的孔道中能够进行化学反应生成己知或未知的产物。随着主体MOFs的选定，孔道将会作为合成的纳米模板，由于孔道的大小是一定的，故能获得单分散的纳米粒子，纳米粒子的大小可由主体材料的孔径调节。Ferey[11]以MIL-101作为主体材料，将制备的MIL-101浸入含有Zn盐的溶液中，制备出含有Zn2+的MIL-101，小心洗涤后在300K的条件下与H2S作用，制备出孔道有半导体ZnS纳米粒子的复合物。通过高分辨力电镜和化学组成分析证明半导体粒子存在于孔道中，而不在主体材料MIL-101的表面。
金属-有机框架材料的研究是由配位化学发展而来的，在此后的发展中，对MOFs的研究很好的结合了有机化学、结构化学、超分子化学等学科。
1990年Robson[12]将无机网络结构中的研究成果拓展到有机和金属-有机聚合物领域中，首次提出以下设想：以一些简单矿物的结构为网络原型，用几何上匹配的分子模块代替网络结构中的节点，用分子链接代替其原型网络中的单个化学键，以此来构筑具有矿物拓扑的配位聚合物。而且成功的合成了由4,4',4'',4'''-四氰基苯甲烷与正一价铜离子构筑的具有金刚石拓扑的三维配位聚合物。1994年Fujita[13]用Cd与4，4'-联吡啶合成了具有二维方格网络结构的聚合物，它具有很好的催化活性，能加速氰基甲烷基化反应。1995年，美国化学家Moore[14]在Nature上报道了Ag与2，4，6-三(对氰基苯基乙炔基)苯形成的具有蜂窝状骨架结构的三维聚合物，该聚合物具有生物活性，能够促进细胞增大。同年Fujita[15]在Nature上提出了选择适当的刚性有机配体与金属离子构筑微孔材料，也就是金属-有机框架结构(Metal-OrganicFramework，MOF)材料，这类材料可以吸附客体分子，在脱出客体分子后骨架仍然保持稳定，并合成了由均苯三甲酸与Co构成的化合物在随后的时间里，Yaghi等合成了非常具有代表性的MOF系列配位聚合物，其孔径和比表面积超过传统的分子筛，成为了配位聚合物发展史上的一个里程碑[12]。
在此后的十几年岁月，MOFs的研究逐渐变得热门，更多性能多样优良，比面积极大的MOFs被研究出来。1999年Yashi研究小组合成的MOF-5Langmuir比表面积高达2900m2/g[16]。
2005年Ferey研究小组合成的MIL-100和MIL-101都包含多级孔道和很大的比表面积[17-20]。这些化合物无疑