金属有机框架材料MOFs的应用领域有哪些？：金属有机框架材料MOFs的应用

原标题：金属有机框架材料MOFs的应用领域有哪些？
金属有机框架（MOFs）是由金属离子和有机配体配位构成的一类晶体多孔材料，其形成的特定框架结构不仅具有金属的活性；同时也获得了有机配体的柔性、官能团的选择性和其它物理化学性能，此外还有配位形成的特殊空间结构。这三种有力因素的完美结合，为MOF材料的广泛应用提供了基础条件。 MOFs与传统多孔材料相比，具有比表面积高、孔径可调和表面易功能化等优点，因而MOFs及其复合材料在气体吸附，储存与分离，催化，生物传感，载药诊疗等方面拥有巨大应用前景。事实上，有机化学、分析化学、生命科学等诸多学科领域的交叉结合共同推动了MOFs的发展。

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图1：MOFs应用领域
与传统的多孔材料（如活性炭和沸石）相比， MOFs的一些优越的结构特征，如高孔隙率，高表面积，可调的孔径和几何构型，以及可功能化的孔隙表面，使其非常适合储存一些重要气体，例如氢气，甲烷等气体。起初的经典型研究就是关于MOFs的储氢性能。美国西北大学RandallQ.Snurr团队研究了在77K和0.1MPa下不同MOFs对氢气的吸附性能,并推导出氢气吸附量与吸附热、表面积及孔体积间的关系[1] 。研究发现，当MOFs拥有相似的拓扑结构和表面化学性质时,在低压氢气覆盖下,材料对氢气的吸附量由吸附热起主要决定作用；在中压条件下主要由材料的表面积起决定作用；而在高压条件下,则由材料的自由孔体积起主要决定作用。 MOFs对氢气不同吸附特性为后续有选择性地制备相应MOFs提供了新思路。近年来美国德克萨斯大学的zhou等人合成了具有较高甲烷吸附性能的两种蒽基MOF材料：PCN-11和PCN-14 。这两种MOF均由纳米的微孔孔簇构成，含有较多的微孔分布，能够容纳更多的甲烷气体分子，在25℃、3.5MPa条件下甲烷吸附容量分别可高达171V(STP)/v和230V(STP)/v 。 PCN-14表面存在的金属氧簇－苯环区域以及蒽基存在的位置，对甲烷具有很强的吸附能力，可以储存更多的甲烷分子[2] 。正因此， PCN系列也是目前储存甲烷分子最有前景的MOFs 。

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图2：MOFs作为析氢反应催化剂的示意图
MOFs次级结构单元中的金属氧簇有特殊性，能发生类半导体行为，因此MOFs催化的研究成为热门的研究方向之一。之后，科研人员将合成的MOFs用于电催化水的应用上，早在2011年， AnneDolbecq研究团队报道了基于多金属氧酸盐的MOFs（POMOF）作为析氢反应（HER）的电催化剂[3] ，所制备的POMOF/CPE电极非常稳定，可以循环数百次而无明显变化，峰值电流随扫描速率线性变，研究人员将其优异的催化性能归因于POMOF的结构和封闭效应。此外， MOFs除了可以应用于HER的电催化剂，还可以用于强氧化还原反应（ORR）以及析氧反应（OER）的电催化剂，例如，南京师范大学兰亚乾课研究团队报道了NNU-23电催化剂具有优异的OER性能[4] 。

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图3：ZIF8/RhB用于细胞线粒体内ATP生物传感示意图
尽管单一的MOFs具有非常广泛的应用，但是另一方面，由于本身所固有的一些缺陷，限制了其在许多领域中的应用。近年来,人们将MOFs与一些具有独特的光学、电学、磁性和催化性能的功能材料复合,如金属氧化物纳米粒子，量子点，聚合物，荧光探针等，制造出同时拥有MOFs的独特结构和功能材料优异性能的复合材料，所体现的优势不言而喻。目前这些MOFs复合材料已被广泛应用于生物传感与载药诊疗等领域。中科院化学所的毛兰群研究团队将罗丹明B负载于ZIF-8中，合成出ZIF-8/RhB的复合材料，并将其运用于细胞线粒体内ATP的传感分析[5] 。此外，通过磁力释放负载于复合材料γ-Fe2O3/HKUST-1上的药物，德国德累斯顿工业大学Kaskel研究团队首先提出了MOF磁热疗的方式[6] 。武汉大学邓鹤翔的研究团队发现，客体释放速率与MOFs中官能团的类型和比例密切相关[7] 。通过从MIL-101（Fe）构建不同的多元MOFs ，阿霉素（DOX）的最大释放量是在第17天至29天。
事实上， MOFs的应用远不止以上所述，还有像超级电容器，光热诊疗等领域也有其身影。 MOFs一直随着科学的脚步发展。在未来，稳定且设计良好的多元MOFs或基于MOFs的材料会具有每个组分的特征，为目标应用提供出色的性能。此外，通过逐步合成技术对MOFs中官能团的位置达到精确控制将为各种实际应用带来巨大的潜力，我们相信MOFs的光明前景。