苏成勇教授课题组MOF多孔微纳空间工程研究进展：高稳定性疏水/亲油多孔MOF与自动室内湿度调节、污染物移除
金属-有机框架（MOF）是一类比表面积大、结构可调、功能多样的新型多孔分子固体材料，在分离、催化、传感等诸多领域表现出潜在应用前景。目前该类多孔材料的工业应用尚存在一个亟待解决的关键性问题，即稳定性问题，尤其是在潮湿环境下的热稳定性和化学稳定性。
近日，永利集团3044noc登录入口苏成勇教授课题组发展了一种MOF多孔纳米空间后工程化策略，通过后修饰MOFs微纳配位空间来调控、优化其亲疏水性、水吸附能力、水稳定性和污染物移除能力，获得符合美国采暖、制冷和空调工程师协会(ASHRAE)推荐的最适宜居住相对湿度范围（45~65% RH）和Arundel等人提出的健康不利影响最低相对湿度范围（40-60% RH），可同时用于自动调控室内湿度和捕获污染物并具有高稳定性和重复利用性的理想MOFs吸附材料。
课题组通过对经典MOF材料UiO-67孔道中携带疏水基团（-CH3）和亲水基团（-NH2/-COOH/-OH/-2NH2）有机配体的种类和含量进行调控，筛选出具有高热稳定性、水稳定性和酸碱稳定性的中度亲水MOF 材料UiO-67-4Me-NH2-38%，在45-65% RH之间，UiO-67-4Me-NH2-38%的吸水能力和脱水能力分别为57.6和49.8 wt%，超过了大多数已报道的具有室内湿度控制功能的MOF材料。应用于自动湿度控制，吸水效率为88.2%，脱水效率为76.3%，而且循环吸水-脱水10次后，其性能没有降低。这意味着UiO-67-4Me-NH2-38%是一例高效且可长期循环使用的理想室内湿度调控材料。另外，作者还通过穿透试验证明了在50% RH、75% RH甚至更高湿度下，UiO-67-4Me-NH2-38%对甲醛、苯、甲苯、正己烷以及氨气等污染物均具有较好的捕获能力，并且吸附污物后的材料很容易通过热空气吹扫的方式实现再生。
早前，课题组受自然界“荷叶效应”疏水性两个关键因素即低表面能与表面粗糙度的启发，发展了一种MOF内空间与外晶面配位超分子工程策略，即低表面能修饰与粗糙表面构造。通过在MOF框架中全部或部分有机配体上引入低表面能烷基链，实现对MOF晶体表面粗糙度的自发调控，获得兼具孔道超亲油性和表面超疏水性的高稳定性MOF材料。他们进一步将该策略运用于混合配体多功能MOF材料的构筑，利用含C8链的联苯二甲酸配体和含螯合N,N-联苯二甲酸配体与ZrCl4一步法自组装得到系列含不同配比混合配体的疏水MOF材料，并通过螯合Pd(II)活性中心，构筑了具有超疏水性的MOF催化剂UiO-67-Oct-L2-35.7%-Pd(II)。该疏水性MOF催化材料可在室温、水相中高效催化Sonogashira偶联反应，具有优异的稳定性和重复利用性。此外，他们还将超疏水MOF材料成功应用于水的有机污染物净化和油水分离，证明该类疏水/亲油MOF材料优异的吸附分离能力。这项工作证明通过简单的一步法配位超分子工程手段，可以同时实现MOF晶体内部空间的修饰与外部晶面的生长调节，融合了疏水材料低表面能和表面粗糙度两个关键因素，为合成经济、环境友好型多孔材料提供了新的思路。
论文信息：
Neng-Xiu Zhu, Zhang-Wen Wei, Cheng-Xia Chen, Xiao-Hong Xiong, Yang-Yang Xiong, Zheng Zeng, Wei Wang, Ji-Jun Jiang, Ya-Nan Fan, and Cheng-Yong Su*, High Water Adsorption MOFs with Optimized Pore-Nanospaces for Autonomous Indoor Humidity Control and Pollutants Removal, Angew. Chem. Int. Ed., 2021.
https://doi.org/10.1002/anie.202112097
Neng-Xiu Zhu+, Zhang-Wen Wei+, Cheng-Xia Chen, Dawei Wang, Chen-Chen Cao, QianFeng Qiu, Ji-Jun Jiang, Hai-Ping Wang, and Cheng-Yong Su*, Self-Generation of SurfaceRoughness by Low-Surface-Energy Alkyl Chains for Highly Stable Superhydrophobic/Superoleophilic MOFs with Multiple Functionalities, Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58,17033.
http://dx.doi.org/10.1002/anie.201909912
以上研究工作得到国家自然科学基金、广东省珠江人才计划本土创新团队、高校科研业务费、生物无机与合成化学教育部重点实验室和Lehn功能材料研究所的大力支持。
