Energy & Fuels | 金属有机骨架 (MOFs) 成型的研究进展

Original ACS Publications ACS美国化学会

英文原题：Shaping of Metal–Organic Frameworks: A Review

通讯作者：Liying Liu (东北大学), Gang Kevin Li (墨尔本大学)

作者：Zhe Wang, Liying Liu, Zhuo Li, Nitin Goyal, Tao Du, Jiaxin He, and Gang Kevin Li

Metal–organic frameworks (MOFs)及其复合材料在碳捕集、催化、水处理、电传导等领域有着广泛地应用。然而，MOFs的工业应用受到一定的限制，因为通过合成方法获得的通常是颗粒为微米级的粉末状样品，尽管MOFs对工业具有吸引力，但其粉末形式并不适合大规模的工业发展和应用。具有刚性形状的样品是解决分散和压降问题的一种更有利的方法。据报道，在变压吸附、变温吸附（TSA）和电动吸附等静态和动态吸附过程中，形状吸附剂促进了更多的传质和吸附剂间的气体扩散。因此，在研究各种MOFs合成及结构优化的同时，研究MOFs粉末成型以适应特定的工业操作同样重要。

目前，已经通过现有方法如涂覆、挤压、3D打印等得到了颗粒、球状、空心结构、蜂窝状等结构型MOFs（图1）。这些成型方法都涉及了施加机械压力或添加一定的粘结剂，而这也会带来一系列的问题。比如当施加压力过大时，会对MOFs的结晶度和结构性质产生负面影响，当加入粘结剂又会造成MOFs的孔堵塞并降低单位质量MOFs的有效率。

图1. 不同类型的MOFs颗粒。（a）MOF-74涂层的堇青石整体结构；（b）UiO-66球状颗粒；（c）破碎的ZIF-8颗粒；（d）挤压得到的MIL-53(Al)柱体；（e–g）3D打印得到的不同形状的MOF。（版权等信息请参考原文）

我们注意到了MOFs成型的必要性和面临的困难与挑战，该文章综述了目前存在的MOF成型方法并总结成型过程对其本身造成的影响。MOFs成型方法主要分为两个方面，即无粘结剂和有粘结剂成型，对MOF的影响主要关注其比表面积和孔隙度的变化，进而代表成型方法对MOFs本身的吸附、催化等性能的影响。总结发现，在不加入粘结剂的成型过程中，通常需要对粉末施加压力，过大的压力会导致MOFs结构的坍塌（Table 1），机械成型后的比表面积和孔体积都有不同程度的降低，最多降低了80%，这使得MOF性能的发挥大打折扣。另一方面，加入粘结剂后形成的MOFs颗粒表现出了孔隙堵塞的现象，导致BET表面积和孔隙率与理论值相比降低了至少10%甚至高达50%。

根据综述与总结，我们提出了MOFs成型应用相关的挑战与展望。只关注机械强度的增加是不利的，因为这会带来比表面积和孔隙度的显著降低，进而影响变压吸附和催化等工业的实际应用。在用粘结剂成型MOFs单体时，粘结剂在可供吸附的固体体积中的位置，并会导致孔隙堵塞，减少部分表面积，从而降低吸附能力，所以开发具有低硬化温度、高强度、高孔隙度、对MOFs孔隙无堵塞、以及低成本的新型粘结剂材料仍然是形成MOFs成功的关键。因为粘合剂的存在会降低MOFs本身的性能，所以必须有一种权衡，可以通过新的复杂的整体几何形状来补偿，新的增材制造设备仍需要研究以最终达到这一目标。MOFs的产率低于活性炭或沸石等商业吸附剂，且生产成本较高，因此有必要对MOFs的放大合成进行技术经济分析，以填补文献研究的不足。

扫描二维码阅读英文原文

Energy & Fuels. 2022, 36, 6, 2927–2944

Publication Date: February 8, 2022

https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.1c03426

点击“阅读原文”

你“在看”我吗？