比翱工程实验室丨MOF和多孔材料

沸石、活性炭和金属有机框架（MOF）等多孔材料在气体储存、精细化学合成、储能等许多工业应用领域都非常有意义。然而，每种材料在工业过程中都有其优点和缺点。在多孔材料的最新进展中，经过调整的组合可以帮助利用每种材料的最佳特性，从而提高指定应用中的性能。本文将一些组合作为这种方法的一个例子。多孔材料概述沸石是由铝硅酸盐组成的天然材料。但是，它们也可以针对工业应用进行合成。沸石具有带电物种的微孔结构；该特性用于吸附和解吸分子以用于不同目的。沸石的孔径从4 - 7 Å不等（相比之下，水分子的大小为2.75 Å）。它们的高热化学稳定性是它们最吸引人的特性之一，它们通常用于与高温相关的过程。 
活性炭是从纤维素材料或椰子壳热解等天然废物中获得的吸附过程中最常用的材料之一。除了其大表面积和反应性外，这种材料的丰富性和低成本是工业规模应用的关键因素。尽管如此，由于吸附过程中缺乏特异性，其能力有限。 
金属有机框架（MOF）是在多孔吸附剂中开发的最新材料。它们是杂化材料，由以有机配体为界的金属中心组成。MOF具有超高的表面积，可实现超强的吸附能力。它们还允许微调表面化学性质，并允许控制孔径，从而增加MOF在吸附过程中的选择性。这些材料的缺点是，在存在高热应力和化学应力的情况下，它们的性能受到限制。 MOF的新可能性在过去的几年中，已经发表了许多关于MOF的报告，这是因为这些混合材料每次都为创造新材料提供了无限的机会。作为杂化材料，MOFs是唯一结合了有机化学学科和无机学科优点的多孔材料，打破了这两个化学学科长达一个世纪的隔离。金属中心和配体可以根据目标应用进行更换。原则上，可以使用整个元素表来创建新的MOF结构。MOF合成过程中的操纵水平优于沸石和活性炭中的操纵水平。MOFs的另一个特征是能够控制最终结构的孔径。孔径对于分离过程至关重要，因此其性能优于基于沸石和活性炭的材料。MOFs的孔径范围从大约1 Å的微孔隙度（对于氢气分子）到高达97 Å的大孔隙率（对于蛋白质等生物分子）。为什么要使用材料组合？由于不同材料所描述的弱点，已经探索了它们的组合，以提高单一材料的性能。例如，MOFs可以与沸石和多孔碳以复合或膜形式使用。将它们组合在一起的最简单方法之一是通过制造混合基质膜（MMMs）。MMM由聚合物与固体多孔填料结合组成；它们旨在保持聚合物的柔韧性，同时保持过滤能力。 
尽管大量工作致力于开发沸石和活性炭MM，但由此产生的系统存在局限性。基于沸石的MMM由于沸石和聚合物之间的界面缺陷而显示出较差的分离能力。活性炭基MM比沸石显示出更好的结果，但缺乏长期稳定性。最近的研究表明，复合材料中沸石和MOFs的组合用于气体吸附是提高分离步骤性能的可行选择。当单独使用沸石和MOF时，它们具有相似的吸附能力，而两种材料的组合可将性能提高高达40%（从4.6-4.9到超过7 mmol的CO2 / g）。在结合多孔材料时，要获得成功的结果，需要考虑不同的因素。材料相容性是避免界面问题的关键，导致复合材料或MMM的快速失效。在novoMOF，我们可以帮助您为所需的应用选择合适的MOF，并为您提供有关与其他材料的兼容性的建议。

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