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

時間:2019-07-06浏覽:231設置

我校物质学院李涛教授课题组在近期的研究成果中揭示了多层壳核多孔材料生长理论。近日,该成果以“Uncovering Two Kinetic Factors in the Controlled Growth of Topologically Distinct Core-Shell Metal-Organic Frameworks”为题,于国际知名化学期刊《Chemical Science》(《化学科学》)上发表。

金属有机框架材料(metal-organic frameworks, MOFs)是一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料。由于其多变且结构高度可设计的特征,MOFs材料被广泛认为是一类最具应用前景的新型多孔材料。然而,许多具有优异气体吸附和分离性能MOFs往往面临稳定性较差的缺点,而稳定性较高的MOFs则很少展现出优异的吸附特征。如果将高稳定性的MOFs作为壳层生长于高性能的MOFs内核外形成“壳核MOFs结构”则能结合两者各自的特点,极大地拓展了MOFs的应用范围。然而由于不同MOFs材料之间存在晶胞参数不匹配和配位化学属性不匹配的情况,使得壳核MOFs的合成充满了挑战。

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)作爲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爲了確保殼核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複合材料。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-金屬納米顆粒複合催化劑用于精確的尺寸篩分硝基氫化還原。該成果爲構建複雜結構的MOFs複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級博士研究生王芳爲第一作者,李濤教授爲通訊作者,上科大爲第一完成單位。該項目還得到了上科大啓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


返回原圖
/