储存气体、分解毒气、去除污染物……这到底是什么新材料?(下)

作者: 魏昕宇

来源: 科学大院

发布日期: 2019-03-29

本文详细介绍了金属有机框架和共价有机框架的应用,包括气体储存、净化、催化、分析测试等领域,并讨论了这些新材料在工业和科研中的潜力和挑战。

在上篇中,我们了解了什么是金属有机框架,以及开发金属有机框架的重要意义——更好地储存气体。在下篇中,我们将继续了解金属有机框架的其它应用,以及它的“好兄弟”共价有机框架。金属有机框架不仅能够储存气体,它在选择性吸附和净化气体方面的能力也备受瞩目。这是因为通过调整它们的化学结构,我们可以使之与某些气体形成更强的相互作用甚至发生化学反应。

例如,来自美国麻省理工学院的研究人员合成出的一种金属有机框架能够选择性地吸收水分,即便在相对湿度只有30%的干燥环境中,这种材料仍然能够吸收自身重量80%左右的水分,因此有望帮助生活在干旱缺水环境的居民更好地获取饮水。还有不少研究人员尝试利用金属有机框架来吸收火电厂排放的废气中的二氧化碳,从而为缓解全球气候变暖做出贡献。

来自我国北京理工大学的研究人员将金属有机框架制成滤膜,不仅能够吸收汽车尾气中的有害气体,还可以有效吸附PM2.5等颗粒污染物。

金属有机框架中的沸石咪唑框架(ZIF),在选择性吸收温室气体上颇具潜力。又如沙林等许多令人毛骨悚然的毒气都含有磷酸酯结构,而某些金属有机框架能够在吸附这些神经毒剂后将磷酸酯结构破坏掉,从而使其失去毒性。在这里,金属有机框架不仅吸附气体,还充当了分解毒气的催化剂。

还有许多金属有机框架由于特殊的化学结构,可以选择性地吸收可见光中某些波长的光,从而让自身带上特定的颜色。还有些金属有机框架能够在吸收某些波长的可见光或者紫外线后,将部分能量重新以光的形式释放出来,即通常所说的荧光或者磷光。如果其他化学物质进入到这些金属有机框架的孔洞中,与金属原子或者有机配体发生作用,就有可能改变材料的化学结构,往往会改变这些金属有机框架自身或者发光的颜色。

这样的金属有机框架可以成为非常灵敏的传感器,用来检测环境中微量的化学物质,特别是有毒有害物质。

正是由于金属有机框架的诸多独特应用,这一类新材料不仅成为基础科学研究人员的关注热点,而且开始吸引企业界的目光。例如世界最大的化工企业巴斯福不仅开始小规模地生产销售多种金属有机框架,还在几年前展示了以金属有机框架作为气体存储手段的甲烷动力汽车。虽然由于较高的成本和走低的油价,这种新型汽车尚未大规模商业化,仍然有不少企业看好金属有机框架这支“潜力股”,从其他领域寻找商机。

在研究人员继续完善现有的金属有机框架技术的同时,另一种类似的多孔材料也进入了人们的视野,那就是共价有机框架 (Covalent Organic Framework,简称为COF)。从字面上我们可以推断,共价有机框架应该具有与金属有机框架类似的结构,只不过此时起主导作用的变成了共价键。共价有机框架也像金属有机框架一样具有大量的微观孔洞,但不同的是,这种材料中不含有金属,完全靠有机物通过共价键构建。

由于具有与金属有机框架类似的多孔结构,共价有机框架也被认为将会在气体储存和纯化、催化、分析测试等领域大有作为。而且由于网络中不再含有金属和配位键,共价有机框架有望实现更低的密度和更好的化学稳定性。这都使得共价有机框架成为颇具发展前途的新材料。但另一方面,金属有机框架的种类要比共价有机框架丰富的多,加之关于前者的研究的起步要早得多,因此在相关的应用中,人们往往更多青睐于金属有机框架。

UUID: d429d5f9-e36d-4857-9d8f-fe2322856546

原始文件名: /home/andie/dev/tudou/annot/AI语料库-20240917-V2/AI语料库/科学大院公众号-pdf2txt/2019年/2019-03-29_储存气体、分解毒气、去除污染物……这到底是什么新材料?(下).txt

是否为广告: 否

处理费用: 0.0058 元