金属-有机框架材料

1.《纳米材料前沿》是国内近10位院士和20余位长江学者、杰青共同完成的大型出版项目，本书为其中一个分册。

 

本书依据作者研究团队以及国内外金属-有机框架材料的*研究进展，系统介绍了金属-有机框架材料的设计、合成、功能及其在不同领域的应用，包括金属-有机框架的吸附与分离材料、异相超分子催化材料、荧光与传感材料、手性结构与功能材料、膜分离与膜催化材料、离子导电功能材料以及无机纳米粒子/金属-有机框架化合物复合材料，并阐述了金属-有机框架材料未来的发展方向和应用潜力。本书可供从事金属-有机框架材料及其相关领域研究的人员及高等院校相关专业学生参考使用。

本书由陈小明院士组织编写，张杰鹏（长江学者，中山大学教授）、李建荣（北京工业大学教授）、苏成勇（长江学者，中山大学教授）、李丹（杰青，汕头大学教授）、崔勇（长江学者，上海交通大学教授）、裘式纶（吉林大学教授）、郑丽敏（杰青，南京大学教授）、唐智勇（长江学者，国家纳米科学中心研究员）等参与编写，参编人员均为国内该领域成果比较突出的学者。陈小明，中国科学院院士，第三世界科学院院士，IUPAC会士，中山大学教授、博导。主要从事功能配位化学与晶体工程研究，主要涉及功能配合物、尤其是配位聚合物的设计与合成，晶体结构分析和性质（气体吸附、光电磁及传感功能等）研究。已在包括Nature Commun.、JACS、Angew. Chem.、Adv. Mater.、Acc. Chem. Res.、Chem. Rev.和Chem. Soc. Rev.等学术刊物上发表论文380多篇；SCI引用次数累计超过2万6千次，H指数高达85。

第1章金属-有机框架材料的设计与合成001

陈小明，张杰鹏，林锐标（中山大学化学学院）

1.1 引言 002

1.2 金属-有机框架的结构设计 004

1.2.1 金属离子和有机配体的特性 004

1.2.2 拓扑与几何设计 006

1.2.3 单金属离子节点的网络 007

1.2.4 基于金属簇节点的网络 009

1.3 金属-有机框架的合成方法 015

1.3.1 常规合成方法 016

1.3.2 合成后修饰 020

1.4 总结与展望 024

参考文献 025

第2章金属-有机框架材料的吸附与分离029

李建荣，谢林华（北京工业大学环境与能源工程学院）

2.1 引言 030

2.2 气相吸附与分离 030

2.2.1 储氢 031

2.2.2 甲烷储存 034

2.2.3 二氧化碳捕获 036

2.2.4 有毒有害气体捕获与富集 040

2.2.5 低分子量烃类吸附与分离 043

2.2.6 挥发性有机蒸气（VOC）吸附与分离 047

2.2.7 水蒸气吸附及MOF水稳定性 049

2.2.8 其他气体选择性吸附与分离 052

2.3 液相吸附与分离 055

2.3.1 燃料脱硫脱氮 055

2.3.2 药物控释 059

2.3.3 离子交换与分离 062

2.3.4 溶剂及有机大分子选择性吸附与分离 064

2.3.5 分子异构体选择性吸附与分离 066

2.3.6 其他分子吸附与富集 068

2.4 吸附基功能设计与过程实施 071

2.4.1 吸附功能导向MOF分子设计 071

2.4.2 色谱柱与色谱分离 077

2.4.3 其他成型与器件 079

2.5 总结与展望 080

参考文献 081

第3章金属-有机框架异相超分子催化材料089

张利，苏成勇（中山大学化学学院）

3.1 引言 090

3.1.1 金属-有机框架结构与催化相关性 090

3.1.2 MOF异相催化的基础特征 093

3.1.3 MOF作为异相催化剂的常用评估及表征手段 094

3.2 MOF催化反应类型 096

3.2.1 Lewis酸催化反应 106

3.2.2 碱催化反应 112

3.2.3 缩合反应 115

3.2.4 氧化还原反应 118

3.2.5 偶联反应 126

3.2.6 环加成反应 131

3.2.7 多组分反应 134

3.2.8 串联反应 135

3.2.9 卡宾X—H插入反应 137

3.2.10 仿生催化反应 139

3.3 其他MOF相关多孔材料 141

3.3.1 金属-有机笼堆积形成的多孔材料 142

3.3.2 无序金属-有机框架 143

3.3.3 金属-有机凝胶 145

3.4 总结与展望 147

参考文献 147

第4章金属-有机框架材料的荧光与传感155

詹顺泽，倪文秀，李冕，周小平，李丹（汕头大学理学院，暨南大学化学与材料学院）

4.1 设计策略及原理概要 156

4.1.1 发光原理及设计策略 156

4.1.2 传感原理及设计策略 157

4.2 发光调控与物理传感应用 159

4.2.1 发光调控及白光材料 159

4.2.2 分子发光温度计 162

4.3 发光化学传感应用 168

4.3.1 气体分子传感 169

4.3.2 有机分子传感 171

4.3.3 离子传感 174

4.4 生物检测及成像应用 176

参考文献 181

第5章手性金属-有机框架材料的结构与功能187

刘燕，巩伟，江宏，崔勇（上海交通大学化学化工学院）

5.1 引言 188

5.2 手性金属-有机框架材料的设计与合成 193

5.3 不对称催化性能 196

5.3.1 金属节点催化 197

5.3.2 优势手性配体催化 202

5.3.3 有机小分子催化剂催化 219

5.4 手性分离性能 226

5.4.1 吸附分离 227

5.4.2 共结晶分离 229

5.4.3 色谱分离 230

5.4.4 膜分离 233

5.5 总结与展望 235

参考文献 236

第6章金属-有机框架材料的膜分离（催化）与器件241

裘式纶，薛铭（吉林大学化学学院）

6.1 引言 242

6.2 MOF材料膜的制备方法 245

6.2.1 原位生长 246

6.2.2 晶种法二次生长 254

6.2.3 合成后修饰法 260

6.2.4 基于MOF的混合基质膜材料 263

6.3 MOF材料膜分离器件 266

6.3.1 气体分离 267

6.3.2 液体分离 286

6.4 膜催化器件 293

6.4.1 膜催化的机理 294

6.4.2 膜催化器件的潜在应用 297

6.5 总结与展望 300

参考文献 302

第7章金属-有机框架材料的离子导电功能317

鲍松松，郑丽敏（南京大学化学化工学院）

7.1 引言 318

7.2 MOF质子导体 320

7.2.1 MOF质子导电机理 324

7.2.2 含水MOF质子导体 325

7.2.3 无水MOF质子导体 345

7.2.4 MOF质子导电膜 348

7.3 其他MOF离子导体 351

7.4 总结与展望 352

参考文献 353

第8章无机纳米粒子/金属-有机框架化合物复合材料361

唐智勇，刘雅玲，李国栋（国家纳米科学中心）

8.1 引言 362

8.2 合成方法 363

8.2.1 “瓶中造船”法 363

8.2.2 “船外造瓶”法 367

8.2.3 “一锅”法 372

8.3 结构调控 374

8.3.1 单组分无机纳米粒子-MOF复合材料 374

8.3.2 双组分及多组分无机纳米粒子-MOF复合材料 389

8.4 应用 390

8.4.1 氢气存储 390

8.4.2 催化 391

8.4.3 传感 397

8.4.4 其他应用 399

8.5 总结与展望 400

参考文献 401

索引 406

配位聚合物是由金属离子或金属簇与无机/有机配体通过配位键组装形成的化合物，其中，为引人注目的是其中就有孔洞结构的多孔配位聚合物。而由有机桥联分子（即配体）与金属离子/金属簇形成的多孔配位聚合物通常被称为金属-有机框架材料。近30年来，金属-有机框架材料因在吸附、分离、催化、传感、离子导电等方面具有出色的性能和应用前景，吸引了各国化学、化工、材料科学家们的广泛兴趣和深入研究，不仅成为重要的研究热点，而且呈现出交叉学科研究趋势，并开始展示商业应用的端倪。我国化学家较早开展这一领域的研究。近年来，国内在此领域的发表论文数量已经稳居世界，而且创新性强、高水平的成果不断涌现。可以认为，我国科学工作者已经成为国际上该领域研究的主力军。目前，国际上已经有多部总结、介绍配位聚合物和金属-有机框架材料的专著，但是，国内迄今未有中文专著的出版。应化学工业出版社和“纳米材料前沿”丛书编委会主任万立骏的邀请，我们组织了金属-有机框架材料领域多位活跃的国内学者，按各人的专长分工，撰写了这一比较简明的综述性专著，期望通过这本书，为初学者和研究生提供该领域研究的基本概念和进展概况。由于篇幅等原因，本书并没有囊括金属-有机框架材料性质功能研究的全部内容，而只是选择性地介绍其中比较热门的研究内容，包括其吸附功能、异相催化功能、荧光与传感功能、膜分离与膜催化功能及离子电导功能等方面的研究内容。因为时间、能力等原因，书中难免有所欠缺、疏漏之处，还望专家和读者见谅并不吝赐教。编著者 2016年12月于中山大学