ОСНОВНОЙ БИЗНЕС
Обзор
НИОКР и производство МОП
Услуги MOF OEM и ODM
Обзор применения MOF
Товары
Стандартная серия MOF
Новости отрасли
Металлоорганические каркасы: новая сила в катализе
Предисловие
Металлоорганические каркасы (МОК), являясь одними из наиболее влиятельных пористых кристаллических материалов в области материаловедения в последние годы, расширили свое влияние от фундаментальных химических исследований до множества ключевых секторов, таких как промышленный катализ, преобразование энергии и экологически чистое производство. Присуждение Нобелевской премии по химии 2025 года за исследования, связанные с системами МОК, еще раз подтвердило стратегическое положение этой материальной системы в структурной химии и прикладной науке. Основные преимущества МОК обусловлены их регулярными трехмерными каркасными структурами, построенными из металлических узлов и органических лигандов, что обеспечивает МОК сверхвысокую удельную площадь поверхности, точно регулируемый размер пор, множество путей функционализации и программируемое регулирование реакционной среды на молекулярном уровне. Эти уникальные свойства делают МОК представителями нового поколения проектируемых каталитических материалов.
1. Краткое введение в MOF-материалы и их структуры.
Как показано на рисунке 2, металлическими узлами MOF обычно являются ионы переходных металлов, тогда как Органический линкерВ основном это многодентатные лиганды, содержащие азот или кислород (например, карбоновые кислоты и имидазольные соединения). Такой модульный подход к сборке позволяет исследователям точно регулировать физико-химические свойства материалов путем рационального выбора строительных блоков. По сравнению с традиционными пористыми материалами, такими как цеолиты и активированный уголь, МОФы обладают явными преимуществами: ① Их удельная площадь поверхности может достигать тысяч квадратных метров на грамм, что значительно превосходит показатели большинства традиционных материалов; ② Размер пор может быть точно отрегулирован в диапазоне от 0,5 до 10 нм; ③ Различные функциональные группы могут быть введены на поверхность пор посредством постсинтетической модификации, создавая идеальную среду для специфических каталитических реакций.
2 уникальных преимущества катализаторов на основе металлоорганических каркасов (МОК)
Уникальные структурные и химические свойства металлоорганических каркасов (МОК) делают их весьма привлекательными гетерогенными катализаторами для промышленного применения, способными катализировать окисление, гидрирование, полимеризацию и другие реакции. В каталитических приложениях замечательные особенности материалов на основе МОК проявляются в следующих аспектах:
Проектируемые активные зоны
Введение специфических функциональных групп (например, -NH₂, -SO₃H, -COOH) в органические лиганды или создание ненасыщенных координационных центров на металлических узлах позволяет создавать активные центры со специфическими кислотно-основными или окислительно-восстановительными свойствами. Исследования показали, что аминофункционализированные Uio-66-NH₂ демонстрирует превосходные характеристики в улавливании и преобразовании CO₂, в то время как MOF, функционализированные сульфоновой кислотой, проявляют выдающуюся кислотную каталитическую активность [1].
Эффект замкнутого пространства
Регулярные пористые каналы MOF могут обеспечить уникальную микросреду для каталитических реакций, повышая селективность реакции за счет стерических препятствий и ограничений массопереноса. Например, иммобилизация полипиридиновых комплексов Ir(III) в порах UiO-67 может эффективно подавлять побочные реакции, характерные для гомогенного катализа, значительно повышая селективность реакции трифторэтилирования стирола [2].
Многофункциональный синергетический катализ
МОФы могут одновременно интегрировать несколько активных центров для достижения синергетического катализа. Бифункциональный катализатор на основе МОФ, описанный Чжоу и др., обладающий как кислотными, так и основными центрами Льюиса, достигает почти 100% степени превращения в реакции циклоприсоединения CO₂ и эпоксидов [3].
Возможность химической настройки и структурная гибкость материалов на основе металлоорганических каркасов (МОК) позволяют не только решать каталитические задачи в различных областях, но и оптимизировать их стабильность, селективность и возможность повторного использования.
3. Прогресс в применении в энергетической и экологической сферах.
Благодаря своей уникальной способности к целенаправленному проектированию, металлоорганические каркасы (МОК) стали ключевыми катализаторами для решения энергетических проблем. Точный выбор металлических узлов и органических лигандов позволяет целенаправленно синтезировать МОК-материалы с высокой удельной поверхностью, идеальным размером пор и активными центрами. Это преимущество «целенаправленного проектирования» позволяет МОК эффективно использоваться в таких процессах, как фото/электрокаталитическое расщепление воды, углеродный цикл (преобразование и использование CO₂) и преобразование чистой энергии, открывая новый путь для разработки нового поколения эффективных и экологически чистых энергетических технологий.
Преобразование и использование CO₂
МОФы демонстрируют большой потенциал в улавливании и преобразовании CO₂. Катализаторы, такие как Ru@MIL-101, проявляют высокую активность и стабильность в реакции метанирования CO₂, предоставляя новый подход к ресурсопользованию парниковых газов. Исследования показали, что при температуре реакции 225 °C такие катализаторы могут поддерживать селективность CH₄ более 99% [4].
Фото/электрокаталитическое расщепление воды
Композиты на основе MOF, такие как MnCdS/ZnS-VZn, демонстрируют превосходные характеристики в процессе расщепления воды под действием видимого света для получения водорода. Экспериментальные данные показывают, что оптимальный катализатор обеспечивает скорость производства водорода 394,4 мкмоль·ч⁻¹·г⁻¹, что значительно выше, чем у многих традиционных полупроводниковых катализаторов [5].
Преобразование биомассы
Катализаторы на основе MOF достигли значительного прогресса в области переработки биомассы. Катализатор NiMo@NC обеспечивает степень конверсии 99,36% при гидродезоксигенации лауриновой кислоты и сохраняет 95% активности после нескольких циклов, демонстрируя хорошие перспективы для промышленного применения [6].
4. Развитие и проблемы МОФов
Основной проблемой ранних материалов на основе металлоорганических каркасов (МОК) была недостаточная химическая и термическая стабильность. В последние годы стабильность материалов значительно улучшилась благодаря созданию каркасов с высокозарядными ионами металлов (например, Zr⁴⁺, Ti⁴⁺, Fe³⁺) и жесткими лигандами. Одновременно появились технологические компании, способные к индивидуальному массовому синтезу МОК, такие как Guangdong Carbon Language Advanced Materials Co., Ltd. Разработанные компанией МОК на основе циркония способны сохранять структурную целостность в водных и кислых средах, что значительно расширяет область их применения.
В то же время, крупномасштабное производство остается основным препятствием для коммерческого применения MOF. Традиционный сольвотермический метод имеет такие недостатки, как высокое энергопотребление, длительное время цикла и большой объем органических растворителей. Компания Guangdong Carbon Language Advanced Materials Co., Ltd. в значительной степени решила эти проблемы, внедрив новые технологии, такие как механохимический метод, синтез в непрерывном потоке и распылительная сушка, что открывает перспективный путь для промышленного производства MOF. Благодаря постоянному совершенствованию методов синтеза и углублению понимания структуры материалов, катализаторы на основе MOF движутся в направлении многофункционализации, интеллектуализации и практического применения. Будущие исследования будут сосредоточены на улучшении долговременной стабильности материалов в реальных условиях реакции, разработке интеллектуальных каталитических систем с реакцией на внешние воздействия и изучении потенциала применения MOF в таких новых областях, как электрокатализ и фотокатализ.
Разработка материалов на основе металлоорганических каркасов (МОК) представляет собой значительный прогресс в материаловении — от структурного проектирования до функциональной реализации, предоставляя новые решения для решения основных проблем в энергетической и экологической областях. С углублением фундаментальных исследований и развитием инженерных технологий ожидается, что катализаторы на основе МОК будут играть более важную роль в «зеленой» химии и устойчивом развитии.