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同济大学李风亭团队│金属有机框架材料(MOFs)的绿色合成│精华回顾
发布日期: 2021-03-02    浏览: 1523

金属有机框架材料的绿色合成

张彦星1,吴一楠1,2,李风亭1,2

(1.同济大学环境科学与工程学院,上海 200092;2.上海污染控制与生态安全研究院)


摘要

金属有机框架化合物(Metal-Organic frameworks,简称MOFs)是由金属离子(或簇)与有机配体配位并经由自组装而形成的一类多孔材料。MOFs具有极其发达的孔道结构,比表面积和孔容远超其他多孔材料。有机/无机杂化这一特点也赋予了MOFs其他材料(例如沸石、活性炭等)所不具备的无限结构功能可调性。此外,MOFs具有移除客体分子而主体框架完好保持的持久孔道或孔穴,这使得MOFs具有超乎寻常的化学及物理稳定性。正是基于以上这些特点,MOFs在许多领域有着丰富的应用,例如催化、H2储存、CO2捕集、药物运输、污染物吸附、生物医学成像等方面。MOFs的商业化探索成为了目前的热点。MOFs的很多应用都与可持续发展及“绿色材料”有关,但MOFs本身的合成过程也需要考虑可持续性和环境影响。金属有机化学所面临的环境挑战是独特的,因为它将金属离子、有机配体的危害联系在一起,且合成过程大多需要大量能耗。主要介绍了金属有机框架材料的绿色可持续合成,主要分为4个方面:1)使用更安全或生物相容性的配体;2)使用更绿色、低成本的金属源;3)绿色溶剂的开发;4)无溶剂合成法。

图表摘要

表1  各种金属盐的对比

表2 不同溶剂的对比

表3 无溶剂合成法的对比

图1 MOFs的组装与结构和MOFs的孔笼

图2 可作为有机配体的生物质原料

图3 LAG中η的定义

结论

面对日益严重的环境问题和对可持续发展的需求,MOFs作为一类具有独特理化和结构特性的多孔材料,已广泛应用于能源和环境领域。

对于任何反应系统,为了降低成本及使反应过程更绿色,最好能不使用溶剂或使用更为可持续的溶剂。使用水或临界水是一个良好的选择,若考虑到配体的溶解性问题,寻找低毒性的有机溶剂也是一个可行的途径。无溶剂合成方面,热化学法和机械化学法是两个比较有前景的发展领域。此外,需要考虑寻找更为绿色的金属盐和配体。从原子效率、成本及安全性角度考虑,金属氧化物和氢氧化物是最好的金属源替代品,反应的代谢产物均为水。同时要避免使用金属氯化物、硝酸盐和高氯酸盐,因为均有较强的氧化性或腐蚀性,已造成安全隐患。现阶段的MOFs配体大多为带有芳香基团的石油产品,绿色改进方向主要是使用生物质原料,例如脂肪族二羧酸酯。此外,从工业及生活废物中回收配体原料也是可持续合成的方向之一。

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作者介绍

作者简介:张彦星(1995— ),男,硕士研究生,主要研究方向为纳米环境材料制备及应用。

通讯作者:李风亭(1963— ),男,教授,博士生导师,同济大学环境科学与工程学院副院长,联合国环境署-同济大学可持续发展学院副院长,《无机盐工业》杂志第九届编辑委员会委员。主要研究方向为水处理药剂的研发,环境纳米材料的制备及应用。

团队研究方向

本课题组本身是一个完全国际化的跨学科的小组,从化学分子到材料研究为基础,将基础研究与应用技术相结合,以解决实际环境问题为导向;同时将产品与技术标准相结合,引领技术发展,为市场提供良好的绿色解决方案。最近将这一方向拓展到超支化聚合物纳米吸附功能化材料,在重金属的去处、污水的深度处理与回用、已经水污染应急处理方面,取得了突出的成果。自2000年以来已经主持50多项科技部、上海市、联合国环境署、联合国人居署、以及工业界课题,已经在国内外发表论文近300多篇,获得中国和美国发明专利授权60多项。曾获得上海市技术发明一等奖两次,国家教学成果二等奖两次,联合国南南合作特别贡献奖。

2004年开始负责与联合国环境规划署合作,主要工作包括国际环境政策研究和对于亚太地区/非洲地区/小岛屿国家环境领域官员的培训,国内官员的培训,可持续发展方向留学生教育工作。与环境署合作,组织国际培训80多次,培训的学员超过3000人次。2006年在联合国环境署和中国科技部支持下,从事非洲水资源研究,2011年担任联合国环境署-中国科技部非洲水行动专家组组长。2011年与联合国环境署和人居署合作,共同发布《非洲水资源报告》。2012年里约峰会期间,与联合国环境署共同发布了《绿色经济报告》中文版。2013年与联合国环境署共同发布了《崇明国际生态岛评估报告》。2015年3月在开罗非洲环境部长会议期间,发布了《中国-联合国环境署-非洲水行动成果报告》。在科技部、环保部、商务部,以及联合国环境规划署、联合国人居署的支持下,在非洲从事气候变化与水资源研究,促进非洲国家绿色城市规划,水资源管理官员及技术管理人员的能力建设,同时推广新型适用性水处理技术,为发展中国家培养环境管理人才。同时在广大非洲国家,建立了广泛的绿色城市和水处理技术合作网络,将绿色适用技术引进到非洲国家,并建立了示范项目。同时积极推动环境与可持续发展教育的国际化工作,在2006年与联合国环境署推出了环境管理与可持续发展硕士项目,迄今已经培养留学生400多名,同事使得同济环境学科国际化一直处于国内前列。