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罕见的高稳定性磺酸基MOF应用于CO2的捕获与转化
金属-有机框架（Metal-Organic Frameworks，MOFs）因其可功能化的孔道在气体分离与储存和催化领域受到广泛关注。经典羧酸类MOFs中金属-羧酸基的配位模式往往使最终的多孔材料具有非极性孔道的特征。为避免这一短板，当前许多研究从配体的修饰着手，通常需要较为复杂的合成手段，局限于一小部分稳定性较高的官能团，且会显著降低孔隙率。
近日，同济大学费泓涵（点击查看介绍）课题组另辟蹊径，选用常被忽视的磺酸类配体，采用1,2-乙烷二磺酸和4,4’-联吡啶构筑高稳定性的三维多孔金属-有机框架材料TMOF-1。TMOF-1具有MOF材料中典型的简单立方拓扑结构，且有出色的稳定性，不仅可在pH范围3到10的水溶液中保持稳定，而且可在沸腾的强极性溶剂如甲醇中轻松保持24小时无损。
值得一提的是TMOF-1拥有稳定的永久孔道，这在磺酸类MOFs中是较为罕见的。单齿配位的磺酸基团中两个未配位氧原子仍集中了一定的负电荷，这些强极性基团直接暴露在孔道表面，大幅提升了材料对二氧化碳客体分子的吸附力。在室温、一个大气压和0℃、一个大气压条件下，材料对二氧化碳吸附量分别为62.0 mg/g和98.6 mg/g，与和TMOF-1具有相同的金属中心、吡啶配体和穿插结构但由对苯二甲酸参与构筑的MOF-508b(Cu)相比，吸附量分别提升了180%和160%。作者对二氧化碳在材料中的吸附位做了理论计算，结果表明二氧化碳最适吸附位处于四个磺酸基团中央，每个单胞可捕获4个二氧化碳分子。在室温、一个大气压下，实测二氧化碳吸附量达到理论最大值的80%，这证实了磺酸基团对二氧化碳分子的强作用力。
基于TMOF-1的高二氧化碳储存性能，作者进一步将材料应用于催化二氧化碳与环氧乙烷衍生物的环加成反应。结果表明TMOF-1具有较高催化活性，对于小分子底物环氧丙烷、环氧丁烷等，四小时反应产率接近100%；随着底物分子尺寸增大，反应产率逐渐降低，这体现了MOFs材料孔道对底物分子尺寸的选择性。
综上所述，TMOF-1开拓三维多孔磺酸基MOFs材料的合成手段，克服了传统经典羧酸类MOFs材料孔道极性低和稳定性差的缺点，且同时实现了二氧化碳的捕获与催化转化。考虑到MOFs材料在很多潜在应用领域的发展，该项成果不仅是对当前磺酸类配体配位模式与磺酸基 MOFs构筑规律的理论空白的重要填充，更具有重要的现实意义。
该论文作者为：Guiyang Zhang, Guangfeng Wei, Zhipan Liu, Scott R. J.Oliver, Honghan Fei
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
A Robust Sulfonate-Based Metal–Organic Framework with Permanent Porosity for Efficient CO2 Capture and Conversion
Chem. Mater., 2016, 28, 6276-6281, DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b02511
导师介绍
费泓涵教授
http://www.x-mol.com/university/faculty/35075