物質學院李濤課題組揭示了多層殼核多孔材料的生長理論

ON2019-07-05CATEGORY科研進展

我校物質學院李濤教授課題組在近期的研究成果中揭示了多層殼核多孔材料生長理論。近日,該成果以“Uncovering Two Kinetic Factors in the Controlled Growth of Topologically Distinct Core-Shell Metal-Organic Frameworks”為題,于國際知名化學期刊《Chemical Science》(《化學科學》)上發表。

金屬有機框架材料(metal-organic frameworks, MOFs)是一類具有周期性網絡結構的晶態多孔材料。由于其多變且結構高度可設計的特征,MOFs材料被廣泛認為是一類最具應用前景的新型多孔材料。然而,許多具有優異氣體吸附和分離性能MOFs往往面臨穩定性較差的缺點,而穩定性較高的MOFs則很少展現出優異的吸附特征。如果將高穩定性的MOFs作為殼層生長于高性能的MOFs內核外形成“殼核MOFs結構”則能結合兩者各自的特點,極大地拓展了MOFs的應用范圍。然而由于不同MOFs材料之間存在晶胞參數不匹配和配位化學屬性不匹配的情況,使得殼核MOFs的合成充滿了挑戰。

李濤課題組通過對四種Zr/Hf-MOFs殼層在7種具有不同晶胞參數的核層MOF上生長規律的探究,揭示了兩個動力學因素:成核動力學和溶解動力學,這是克服這一挑戰的關鍵。通過觀察不同時間下改變殼層濃度得到的系列核殼的形貌變化趨勢,首次發現了在異質形MOFs核殼的生長過程中,快速成核和緩慢生長是獲得均勻致密MOFs殼層的決定性因素。此外,當化學不穩定的MOF材料(例如:ZIF-8)作為MOF內核時,快速生長殼層仍然會導致內核的分解破壞。此時,控制溶解動力學則成為了確保殼核MOFs形成的另一關鍵因素。通過對具有ZIF-8殼、Zr-MOF核的殼核MOF生長過程中溶解速率的控制,可以獲得空心殼、蛋黃殼和核殼這幾類不同形貌的MOFs復合材料。該研究進一步利用Zr-MOF殼層孔道高度可調節的特征,制備了一系列具有不同尺寸篩分效果的MOF-金屬納米顆粒復合催化劑用于精確的尺寸篩分硝基氫化還原。該成果為構建復雜結構的MOFs復合材料的制備提供了寶貴的理論和實驗指導。

該課題的研究工作全部在上海科技大學完成。李濤課題組2018級博士研究生王芳為第一作者,李濤教授為通訊作者,上科大為第一完成單位。該項目還得到了上科大啟動基金以及國家自然科學基金青年科學基金等項目支持。

文章鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/sc/c9sc02576f#!divAbstract

圖1:兩個動力學因素影響核殼MOFs生長的示意圖

圖2:核殼MOF:MIL-101(Cr)@UiO-66在不同階段的生長狀態

  圖3:空心殼(上)、蛋黃殼(中)和核殼(下)金屬有機框架材料的制備