FRITSCH球磨——制備特異性吸附材料

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MOFs

金屬有機(jī)框架結(jié)構(gòu)

Metal-Organic Frameworks

斬獲2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

金屬有機(jī)框架材料（Metal-Organic Frameworks），簡(jiǎn)稱(chēng)MOFs，是一類(lèi)由金屬離子或金屬簇與有機(jī)配體通過(guò)配位鍵自組裝形成的晶態(tài)多孔材料。在MOFs中，金屬離子或金屬簇充當(dāng)節(jié)點(diǎn)，有機(jī)配體作為連接件，形成具有周期性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

它具有以下特性：

比表面積、孔隙率超高

結(jié)構(gòu)可編輯

熱穩(wěn)定性良好

MOFs的特性使其在廣泛領(lǐng)域中具備巨大的發(fā)展前景和潛力，如氣體的吸附與儲(chǔ)存、催化、藥物緩釋等。

例如，對(duì)于全球氣候變暖的現(xiàn)狀，依賴(lài)多孔材料的吸附性能對(duì)CO2進(jìn)行吸附是一種代表性的方案，而MOFs作為一種比表面積、孔隙率超高的材料，同時(shí)具備良好的熱穩(wěn)定性，在吸附CO2的應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)了突出的優(yōu)勢(shì)。

應(yīng)用實(shí)例

采用飛馳Fritsch的Pulverisette 6行星式球磨機(jī)，能夠通過(guò)球磨的方法制備出具備優(yōu)異CO2吸附性能的MOF，具備高比表面積，體現(xiàn)出優(yōu)良的CO2吸附能力。

Pulverisette 6 行星式球磨機(jī)

參數(shù)：

設(shè)備

Pulverisette 6

轉(zhuǎn)速

500rpm

研磨時(shí)間

研磨配件

45ml陶瓷研磨罐、球

研究中采用兩種方法進(jìn)行MOF的制備，其中一種為上述所用機(jī)械化學(xué)（球磨）法，另一種為溶劑熱合成法。由此對(duì)兩者得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

結(jié)果分析

1、材料形貌

通過(guò)不同的合成方法，制備出了不同形態(tài)的MOF：

(a) 球磨條件下制備材料的SEM圖像；

(d) 溶劑熱合成法制備材料的SEM圖像

(b)、(c) 球磨條件下材料的TEM圖像；

(e)、(f) 溶劑熱合成法下材料的TEM圖像

從SEM圖像中可以觀測(cè)到，球磨條件下材料呈直桿狀，在電壓下發(fā)生一定程度的彎曲；溶劑熱合成法下的材料呈結(jié)晶體形狀。

另外，從(b)、(c)，(e)、(f)分別可以看到兩種方法得到的材料均具備與典型MOF結(jié)構(gòu)符合的多孔結(jié)構(gòu)。

2、結(jié)晶度

通過(guò)XRD圖像對(duì)2種方法得到成品進(jìn)行檢測(cè)：

B：機(jī)械化學(xué)（球磨）法；L：溶劑熱合成法

其中，通過(guò)球磨方法得到的材料，衍射峰的強(qiáng)度更高，與溶劑熱合成法相比，具有更高結(jié)晶度。

高能球磨所提供的更加均勻的實(shí)際分散效果，有助于得到更加均勻的MOF結(jié)構(gòu)，因此也具有更高的結(jié)晶度。

3、對(duì)CO2的吸附能力

CO2吸收

(mmol/g)

B：

機(jī)械化學(xué)

L：

溶劑熱合成

25 ℃，1bar

5.5

4.9

0 ℃，1bar

9.5

8.0

如表所示，通過(guò)機(jī)械化學(xué)（球磨）得到的MOF對(duì)CO2的吸附量，在25℃，1bar的條件下達(dá)到5.5mmol/g；在0℃，1bar的條件下達(dá)到9.5mmol/g。相比而言，使用溶劑熱合成法得到的MOF，吸附量較低。

4、小結(jié)

本次研究中，通過(guò)球磨的方法合成了滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求的MOF，與熱熔劑法所得材料相比，其擁有更高強(qiáng)度的MOF衍射峰、更高的CO2吸附量。

在制備方案上，用時(shí)更少（通常只需要幾分鐘到幾小時(shí)），同時(shí)無(wú)需更多條件輔助完成（如對(duì)反應(yīng)混合物進(jìn)行外部加熱或增加壓力），因此可以降低能耗與成本，是更為簡(jiǎn)便、高效的制備方法，并且符合安全、促進(jìn)可持續(xù)的化學(xué)工藝要求。