化学学报 ›› 2023, Vol. 81 ›› Issue (3): 246-252.DOI: 10.6023/A22120508 上一篇 下一篇
研究展望
投稿日期:
2022-12-23
发布日期:
2023-02-16
作者简介:
殷政, 博士、副教授、硕士生导师. 2015年博士毕业于广西师范大学, 导师曾明华教授, 随后进入陕西科技大学工作. 主要从事功能配位聚合物材料的晶态、固态及玻璃态结构转变、后合成修饰及功能调变相关研究. |
赵英博, 博士, 上海科技大学助理教授、研究员、博士生导师. 2017年博士毕业于加州大学伯克利分校, 导师Omar Yaghi教授. 2017至2021年在加州大学伯克利分校电子工程系从事博士后研究, 合作导师Ali Javey教授. 2021年8月加入上海科技大学. 主要开展分子框架结构设计合成、界面生长控制和功能器件构筑的相关研究. |
曾明华, 博士, 广西师范大学教授、博士生导师, 国家自然科学基金杰出青年科学基金获得者(2015), 国家“万人计划”科技创新领军人才(2017). 2004年博士毕业于中山大学, 导师陈小明教授. 在功能配位化学及溶液配位领域, 系统性开展基于固-液结构关联、固-固结构对应性的配位导向序列化串联反应过程与机理、多级结构演变及其物化性能效应研究. |
基金资助:
Zheng Yina,b(), Yingbo Zhaoc(), Minghua Zenga()
Received:
2022-12-23
Published:
2023-02-16
Contact:
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金属有机框架(简称MOF)玻璃为传统玻璃世界和非晶物理研究带来崭新成员, 被视为下一代多孔化学及新型MOF衍生功能材料关键发展方向. 作为金属离子或簇核与有机配体通过配位键连接形成的多孔网络, 绝大多数MOF还未达到高温熔融态就不可避免地发生热分解, 很难通过传统的熔融-淬冷法制备玻璃. 面对相关挑战, 本综述系统梳理MOF玻璃发展历程及最新进展, 提出基于动态化学串联扰动的全新策略用于普适化制备MOF玻璃. 基于新的玻璃化方法, 发现更多MOF玻璃、阐明结构转变本质并拓展新颖性质功能是从动态化学到材料和非晶物理的重大学科交叉前沿. 相关研究孕育系列新机遇, 包括从框架/动态化学的设计和调控到MOF玻璃可控制备, 从晶态MOF本征性质到其玻璃态的各种潜在性能及新功能应用, 以及从MOF多物相多层次结构转换出发更好理解玻璃本质.
殷政, 赵英博, 曾明华. 动态化学与材料和非晶物理新关联——金属有机框架玻璃的挑战、进展与新机遇[J]. 化学学报, 2023, 81(3): 246-252.
Zheng Yin, Yingbo Zhao, Minghua Zeng. Challenge, Advance and Emerging Opportunities for Metal-Organic Framework Glasses: from Dynamic Chemistry to Material Science and Noncrystalline Physics[J]. Acta Chimica Sinica, 2023, 81(3): 246-252.
MOFs | Formula | Tm/K | Vitrification | Tg/K | Glass Properties and Functions |
---|---|---|---|---|---|
ZIF-4 | [Zn(Im)2] | 863 | MQ, MM | 570 | Strong/fragile liquid change, fragility index of 39, E=8.2 GPa, H=0.92 GPa, solid-state electrolyte for LMB |
GIS | [Zn(Im)2] | 857 | MQ | 564 | Fragility index of 39, E=8.5 GPa, H=0.9 GPa |
ZIF-62 | [Zn(Im)1.75(bIm)0.25] [Zn(Im)2-x(bIm)x] (x=0.03~0.35) [Co(Im)1.7(bIm)0.3] [Zn1-xCox(Im)1.7(bIm)0.3] (x=0.007~0.5) | 708 643~721 705 672~725 | MQ MQ MQ MQ | 595 565~602 563 604~607 | Properties for family: (i) ultrahigh glass-forming ability, fragility index of 23, viscosity of 105 Pa•s at Tm, Poisson’s ratio of 0.45; mixed metal and ligand ratio modified Tm and Tg; (ii) fracture toughness of 0.1 MPa•m0.5, anomalous brittle-to-ductile transition, creep resistance, low strain-rate sensitivity, (iii) CO2 uptake of 0.75 mmol•g-1 (273 K, 95 kPa) for agZIF-62(Co), selective sorption to n-butane, propane and propylene; glass membrane for H2/CH4, CO2/N2 and CO2/CH4 separation; (iv) transmittance up to 90% for visible and near-infrared wave, 1.5~4.8 μm mid-infrared luminescence, strong NLO response with modulation depth of 63.85%; (v) anode with exceptional cycling-induced capacity enhancement for lithium-ion batteries, flexible electrodes for oxygen evolution reaction |
ZIF-76 | [Zn(Im)1.33(5-mbIm)0.67] | 724 | MQ | 583 | Permanent gas accessible porosity with CO2 adsorption of 4% (w) at 273 K |
ZIF-8 | [Zn(mIm)2] (Ionic liquid incorporated) | 654 | MQ | 595 | High Tg/Tm of 0.91, E=5.42 GPa, H=0.73 GPa, a four-fold increase of glass’ porosity after ionic liquid washing |
Others | [Ag(pL2)(CF3SO3)] [Ti16O16(BPA)x(OR)32−x] [Co(pybz)2]4n | 544 | MQ, MM VE SP | 434 — 568 | Adsorption capacity of 9.2 cm3/g (CO2, 195 K) and 160 cm3/g (benzene vapor) 77 K N2 accessible internal surface area of 267 m2/g Fragility index of 83, supercooled liquid range of 26 K, thermal stable for 104 s at Tg, CH3OH and CO2 accessible porosity |
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MOFs | Formula | Tm/K | Vitrification | Tg/K | Glass Properties and Functions |
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ZIF-4 | [Zn(Im)2] | 863 | MQ, MM | 570 | Strong/fragile liquid change, fragility index of 39, E=8.2 GPa, H=0.92 GPa, solid-state electrolyte for LMB |
GIS | [Zn(Im)2] | 857 | MQ | 564 | Fragility index of 39, E=8.5 GPa, H=0.9 GPa |
ZIF-62 | [Zn(Im)1.75(bIm)0.25] [Zn(Im)2-x(bIm)x] (x=0.03~0.35) [Co(Im)1.7(bIm)0.3] [Zn1-xCox(Im)1.7(bIm)0.3] (x=0.007~0.5) | 708 643~721 705 672~725 | MQ MQ MQ MQ | 595 565~602 563 604~607 | Properties for family: (i) ultrahigh glass-forming ability, fragility index of 23, viscosity of 105 Pa•s at Tm, Poisson’s ratio of 0.45; mixed metal and ligand ratio modified Tm and Tg; (ii) fracture toughness of 0.1 MPa•m0.5, anomalous brittle-to-ductile transition, creep resistance, low strain-rate sensitivity, (iii) CO2 uptake of 0.75 mmol•g-1 (273 K, 95 kPa) for agZIF-62(Co), selective sorption to n-butane, propane and propylene; glass membrane for H2/CH4, CO2/N2 and CO2/CH4 separation; (iv) transmittance up to 90% for visible and near-infrared wave, 1.5~4.8 μm mid-infrared luminescence, strong NLO response with modulation depth of 63.85%; (v) anode with exceptional cycling-induced capacity enhancement for lithium-ion batteries, flexible electrodes for oxygen evolution reaction |
ZIF-76 | [Zn(Im)1.33(5-mbIm)0.67] | 724 | MQ | 583 | Permanent gas accessible porosity with CO2 adsorption of 4% (w) at 273 K |
ZIF-8 | [Zn(mIm)2] (Ionic liquid incorporated) | 654 | MQ | 595 | High Tg/Tm of 0.91, E=5.42 GPa, H=0.73 GPa, a four-fold increase of glass’ porosity after ionic liquid washing |
Others | [Ag(pL2)(CF3SO3)] [Ti16O16(BPA)x(OR)32−x] [Co(pybz)2]4n | 544 | MQ, MM VE SP | 434 — 568 | Adsorption capacity of 9.2 cm3/g (CO2, 195 K) and 160 cm3/g (benzene vapor) 77 K N2 accessible internal surface area of 267 m2/g Fragility index of 83, supercooled liquid range of 26 K, thermal stable for 104 s at Tg, CH3OH and CO2 accessible porosity |
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