《Science》：世界首个有序大孔-微孔MOF单晶材料在华南理工诞生！

2018-01-13 化学加

来源 | 华南理工大学新闻网编辑 | 化学加

导读

1月12日，国际顶级学术期刊Science杂志在线发表了华南理工大学作为第一单位的研究论文“Ordered Macro–Microporous Metal–Organic FrameworkSingle Crystals”（有序大孔-微孔金属有机骨架单晶）。这是华南理工大学首次在Science主刊上以第一单位发表论文。该工作由华南理工大学李映伟教授团队、美国德克萨斯大学圣安东尼奥分校陈邦林教授、沙特阿卜杜拉国王科技大学韩宇教授和西班牙科尔多瓦大学Rafael Luque教授合作完成。文章DOI：10.1126 / science.aao3403。

世界首个有序大孔-微孔MOF单晶材料诞生
说起多孔材料我们很多人都会想到珊瑚、海绵、酒瓶软木塞等，如果能改变多孔材料的孔径、排列方式等结构，他们将具有广阔的应用空间。但是，制备出高度有序、大孔、单晶的稳定多孔材料，对当今科学界来说仍是一个巨大挑战。
金属有机骨架（Metal-OrganicFrameworks，简称MOFs）就是一类新型的多孔材料。它因其独特的物理化学性质，在气体吸附/分离、传感、催化等领域显示出巨大的应用潜力。然而，尽管MOFs材料的种类众多，但目前已报道的绝大部分MOFs材料的孔径或窗口直径却集中在微孔范围内（小于2 纳米），因此极大地限制了其在有大尺寸化合物参与的许多应用。
SOM-ZIF-8的原位化合成
近年来，科学家们发展了一些有效的合成策略，成功制备出介孔或大孔MOFs材料，但是这些介/大孔多为无序结构，或因其多晶结构而易于坍塌。而此次华南理工大学的科研工作者们送出2018年开门红的大礼，创新地采用“双溶剂”法研制出世界第一个有序大孔-微孔MOF单晶材料，有效解决了这些难题。
SOM-ZIF-8的结构表征
沈葵副研究员、李映伟教授及其团队经过精心设计，首次提出了一种以聚苯乙烯小球（PS）三维结构为模板的合成策略，以甲醇-氨水为双溶剂，通过“硬模板剂的制备-在大孔内填充MOF前驱体-MOF的可控晶化-去除模板剂”的制备路线，研制出世界第一个有序大/微孔MOF单晶材料。
通过调节溶剂和PS尺寸来控制SOM-ZIF-8的生长
该方法具有较好的通用性，通过简单变换PS模板的尺寸，就可以系统调变有序大孔的直径（190-470 纳米）。同时，将该有序大/微孔ZIF-8单晶应用于苯甲醛和乙二腈的Knoevenagel缩合反应，发现其催化活性是常规微孔ZIF-8的4倍以上，而且随着反应物分子尺寸的增大，其活性提升倍数增高。另外材料还具有良好的稳定性，在重复利用7次以后，仍然能够保持87%以上的初始活性。Science杂志审稿人高度评价该工作为“展现了一条优雅的合成策略”“描绘了美丽的化学”。
比较SOM-ZIF-8与C-ZIF-8，PH-ZIF-8和M-ZIF-8的催化性能
该研究成果使得多孔材料的应用成功延伸到有序大孔单晶领域。由于其高度有序而且可以调变的大孔、稳定的单晶结构，这类大孔MOFs单晶材料将有可能在涉及大尺寸化合物的许多领域，如大分子化学物质的吸附/分离和催化转化（例如吸附废水中的大分子污染物，催化生物炼制等）、生物大分子（例如大分子药物，活性蛋白，疫苗，基因等）的装载与控释递送等方面获得广泛的应用。比如用这种材料制作成药物胶囊，可以容纳更多的药物大分子，同时实现缓慢释放，从而实现更持久的药效。
团队成员（左二为沈葵副研究员，左三为李映伟教授）
华南理工大学化学与化工学院沈葵副研究员是论文第一作者，化学与化工学院李映伟教授与美国德克萨斯大学圣安东尼奥分校陈邦林教授为论文的共同通讯作者。