【综述】金属有机框架材料（MOF）在气体储存分离方面的应用现状及挑战

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本文来自“EnergyChemNews”公众号

作者：陈邦林教授课题组

气体燃料被广泛用作工业和日常生活中的能源物质。开发经济节能的多孔材料用于储存和分离气体，不仅从科学和工业角度上具有重要意义，并且也是能源化学与材料研究中的一个重要方面。金属有机框架材料（MOFs），作为新型多孔材料的代表，具有独特的孔隙结构，具体表现为其高孔隙率、可调孔隙结构、及易于功能化等方面。MOFs的这种结构特点，不仅能够使其作为吸附剂来实现对清洁燃料气体的高密度储能，并且能针对不同气体分子产生具有差异性的主客体相互作用和/或筛分效应来实现对气体经济节能的分离目的。在本综述中，我们总结并强调了以MOFs作为吸附剂在气体储存和分离领域的最新进展，且包括了基于MOFs的气体分离膜的研究进展，为该领域的现状和挑战提供了更为广泛的概念。

Porous metal-organic frameworks for gas storage and separation: Status and challenges

Hao Li, Libo Li, Rui-Biao Lin, Wei Zhou, Zhangjing Zhang, Shengchang Xiang, and Banglin Chen

EneryChem, 2019.

DOI: 10.1016/j.enchem.2019.100006

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研究背景：

MOFs材料由于具有超高孔隙率，高比表面积（100-10,000 m²/ g），可调控的孔径（3-100 Å），高热稳定性（高达500°C）以及出色的化学稳定性，在气体储存和分离方面的应用前景得到了广泛的认可。在20世纪90年代后期，在MOFs中建立永久性的孔隙得以实现，这开启了它们在吸附方面的应用。而MOFs快速刷新的孔隙比表面积，表明这类材料在气体处理方面极有应用前景。

利用MOFs进行燃气储存的最初努力可以追溯到1997年（甲烷储存）。类似的吸附体系随之先后于2003年和2005年开始用于储氢和乙炔储存。自这些开创性的尝试以后，许多深入研究致力于提高MOFs存储容量，包括增强结合亲和力和优化孔隙率，以更好地存储燃气。该领域目前已有显著进展（Figure. 1），生成的MOFs材料已经具有优于沸石和多孔碳的存储性能。同时，MOFs有诸多优异的结构特点，如高度均匀的孔径分布、多种官能位点、以及高度可调控的孔径，使它们成为最有希望有效分离气体的候选材料。MOFs可用于气体分离的这种潜质，已经由一些基于单组分吸附等温线、对不同气体有选择吸附性能的MOFs材料的实例充分证明。在结构上，同网构原则（isoreticular principle）和骨架穿插（framework interpenetration）的发展，使得MOF的孔结构能够被控制在非常精确的水平；而功能位点（尤其是开放金属位点）易于被客体分子所接近和后合成修饰的得以实现，为提高MOFs对不同气体的选择性识别能力提供了多种途径。从技术上讲，气相色谱（2006年）和固定床突破实验（2006-2007年）在分离气体混合物中的使用，以及通过晶体学技术对气体吸附位点测定，极大地促进了MOFs对气体混合物的实际分离。从那时起，人们致力于以MOFs材料来分离气体（Figure. 2），特别是对于工业十分重要的烃的分离，并取得了许多进展。

迄今为止，已有许多MOFs用于气体储存和分离。这个活跃的领域代表了能源化学与材料中最重要的方面之一。在本综述中，我们通过选定的有代表性的MOFs以点及面地关注当前研究状态，并为读者提供我们的一些见解。其中特别强调近期在富有挑战性的气体储存分离问题中取得的重大进展。

内容简介：

与传统的多孔材料（如活性炭和沸石）相比，MOFs的一些优越的结构特征，如高孔隙率，高表面积，可调的孔径和几何构型，以及可功能化的孔隙表面，使其非常适合储存一些重要气体。在本综述中，我们将从氢气（H₂），甲烷（CH₄）和乙炔（C₂H₂）这三个方面来总结MOFs用于气体储存的最新进展（Figure 1）。

Figure 1. Timeline of important breakthroughs in gas storage using MOFs.

除了气体储存，MOF因其独特的孔隙化学（pore chemistry）在气体分离方面也存在着巨大潜力。该领域在过去十年中经历了快速发展。我们重点介绍近年来在重要气体分离中取得的一些重大进展，包括乙烯 /乙烷（C₂H₄/ C₂H₆）分离，丙烯/丙烷（C₃H₆/ C₃H₈）分离，乙炔/乙烯（C₂H₂/ C₂H₄）分离，乙炔/二氧化碳（C₂H₂ / CO₂）分离，丙炔/丙烯（C₃H₄/ C₃H₆）分离，C₄烃分离，C₆异构体分离，C₈异构体分离，CO₂捕获和分离，以及有毒气体去除。

Figure 2. Timeline of important breakthroughs in using MOFs for separating representative gases.

作者简介

陈邦林，德克萨斯大学圣安东尼奥分校（UTSA）的院长杰出教授（Dean's Distinguished Professor）。他出生于中国浙江，分别于1985年和1988年在浙江大学获得化学学士学位和硕士学位，并在新加坡国立大学获得博士学位（2000年）。他于2009年8月搬到UTSA，并于2011年晋升为教授。他是微软荣誉教授（Microsoft President's Endowed Professor），美国科学促进会（AAAS）会士，日本科学促进会（JSPS）会士，英国皇家化学学会（FRSC）会士和欧洲科学院外籍院士。他在2014年、2015年、2016年、2017年和2018年，被选为高度引用的研究员，在汤森路透的“2014-2018年世界最具影响力的科学头脑（The World's Most Influential Scientific Minds）”中备受瞩目，并且入选Elsevier Scopus Data 2016年引用率最高的材料科学与工程研究人员名单。2018年11月，他获得了洪堡奖（Humboldt Research Award）。主要致力于设计和研发固态纳米级 MOFs材料和多孔HOFs（hydrogen-bonded organic frameworks）材料，并将其应用于储气、分离、传感和催化等方向。

项生昌，二级研究员，博士生导师。现任材料科学与工程学院副院长（主持工作）。于2003年在福州大学获得物理化学方向博士学位。2003-2007年作为副研究员和博士后加入中科院福建物构所吴新涛院士组，2008-2012年作为研究学者和博士后加入美国UTSA陈邦林教授组。2012年回国在福建师范大学工作。长期致力于新型多孔功能材料的设计剪裁、合成新路线和新方法研究，针对能源环境、气候变化、石油化工等工业和应用领域面临的关键科学问题，发展框架构建与功能化，以及孔壁结构优化、孔道功能化和包覆复合等“再功能化”方法，研发高性能多孔材料，推动清洁能源生产、节能减排和环境治理的技术创新。先后主持和承担25项中国国家自然科学基金、973项目、省部级基金和各类人次计划项目的研究，已在国内外期刊上发表130余篇学术论文，H-index 指数39。

林锐标，2009年在中山大学获得了化学学士学位, 2014年在中山大学获得了博士学位。目前在德克萨斯大学圣安东尼奥分校的陈邦林教授实验室担任博士后研究员，负责多功能多孔材料的研究。

关于EnergyChem：

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