综述｜金属-有机骨架材料的绿色应用研究进展

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金属-有机骨架材料（Metal-organic frameworks, MOFs）是近年来发展迅猛的一类多孔晶体材料。由于具有优异的物理化学性质如高比表面积、永久孔隙度、低晶体密度、丰富的活性位点及拓扑结构，MOFs在环境治理及能源储存等领域具有重要的应用价值。然而，目前很少有关于MOFs在环境治理和储能等绿色应用领域方面的综述报道。近日，佛山科学技术学院段崇雄博士(第一作者)、胡飞教授(通讯作者)与华南理工大学奚红霞教授(通讯作者)等人合作在Green Energy & Environment发表了题为“Recent advancements in metal-organic frameworks for green applications”的综述，对MOFs的绿色应用包括碳捕获、有害气体去除、污水处理及绿色能源储存等进行了全面总结。扫描上方二维码或点击文末“阅读原文”查看全文。

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背景介绍

全球气候变化、环境污染、能源短缺等一系列环境与能源问题亟待解决。MOFs因其比表面积高、结构可调等优势在众多晶体材料中脱颖而出，有望在解决环境污染和能源储存及转化等领域实现商业应用。然而，MOFs的大规模生产仍需要理论和技术上的不断改进和优化。近年来，研究人员致力于开发简便有效的合成策略，以降低生产过程中的能耗，如采用常温、水基、快速合成，用以提高MOFs收率，及避免有害试剂的使用来降低经济成本和缓解环境问题。MOFs的绿色合成和高生产效益推进了其在环境与能源领域的应用。因此本文综述了近年来MOFs在环境治理和储能领域的绿色应用的重大进展，包括碳捕获、有害气体去除、污水处理和绿色能源储存等方面，并提出了MOFs在大规模商业化绿色应用的前景和挑战。

图1. MOFs在环境治理与能源储存领域的绿色应用

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MOFs的绿色应用

碳捕获

MOFs在碳捕获领域的应用主要集中在CO₂的吸附、转化及CH₄的吸附固定。实现CO₂高效吸附的重要途径则是对MOFs进行结构设计，例如引入强开放金属位点、孔径调节、孔隙功能化以及与其它吸附材料复合。此外，将CO₂固定在环氧化合物中形成环状碳酸盐也是碳捕获的常用方法之一。CH₄是一种极具前景的替代能源，可以通过增加不饱和配位金属位点的密度或修饰功能性基团如酰胺基、吡啶基等方式提高MOFs对CH₄的吸附容量。

图2. 300 K下不同MOFs对CO₂的吸附容量

有害气体去除

有害气体的去除主要包括采用MOFs对SO_x、NO_x、NH₃、H₂S、CO、Cl₂以及挥发性有机化合物（VOCs）的吸附分离。该领域重点关注MOFs的吸附和再生能力，以及其在实际工业环境下的热/化学/机械稳定性。考虑到实际工业气体的复杂程度，MOFs材料还需具备优良的选择性，如在沼气系统中实现H₂S/CO₂或H₂S/CH₄的高效分离。

图3. RE-fcu MOF的合成路线及H₂S与CO₂分离的原理

污水处理

MOFs在污水处理方面的应用主要包括对水体中染料分子和重金属离子的吸附分离。MOFs材料因其吸附容量大、稳定性高、重现性好等优势备受关注。本综述强调了MOFs与特定染料分子之间的作用机制，并对光催化降解染料方面相关研究进行了论述。值得一提的是，设计兼具高检测和吸附重金属离子能力的双功能MOFs是今后的发展趋势，文章对当前MOFs膜分离重金属技术的重要成果做了详细的介绍。

图4. MIL-101(Fe)吸附AO7的作用机理

绿色能源储存

文章重点介绍了H₂储存和太阳能转化的研究进展。关注MOFs对H₂的体积和重量吸附容量的不断突破，并介绍了MOFs在太阳能电池（包括染料敏化太阳能电池（DSSCs）和钙钛矿太阳能电池（PVSCs）以及光催化制氢、还原CO₂等领域的应用。

图5. nTi-MOF的合成路线及其相关的PVSCs结构

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总结与展望

MOFs作为一种新型绿色多孔材料，在环境改造、绿色能源生产及储存等领域具有巨大潜力。合成条件的优化为MOFs的大规模工业化奠定了基础，而MOFs优异的性能使其在复杂多变的工业环境中具有重要的应用价值。

文中最后对目前MOFs在实际操作中的问题与挑战提出了一些看法：1. 针对目前MOFs合成条件严苛的问题，有必要发展温和、绿色的合成策略，同时提高材料的稳定性以适应工业过程；2. 尝试引入多级孔结构，提高扩散速率，降低传质阻力；3. 鉴于某些实际应用过程的苛刻条件，应实现温和条件下的应用；4. MOFs在大多数应用中的作用机制尚不明确；5. 目前对MOFs在吸附气体污染物后的解吸过程研究较少；6. 目前大多数研究多是仅限于实验室的小型反应，有必要实现其商业大规模处理；7. MOFs生产成本偏高，需要综合考虑其可行性、适应性和经济性。因此，MOFs的在绿色应用领域的研究还不够成熟，仍需要科研者们不断的努力。

通讯作者简介

奚红霞 教授

奚红霞，教授，1996年毕业于华南理工大学工业催化专业，先后在中山大学高分子研究所（1996-1998）、法国Savioe大学环境与能源系（2003-2004）、美国新泽西州立大学（2012-2013）从事博士后、访问学者、高级访问学者研究工作。2005开始担任华南理工大学化学与化工学院教授、博士生导师。主要从事环境能源材料、化工吸附分离、大气及水污染控制等方面的研究工作。

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