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储存气体、分解毒气、去除污染物……这到底是什么新材料?(上)

浏览:6 发表时间:2018-09-29 10:24:18

在上篇中,我们了解了什么是金属有机框架,以及开发金属有机框架的重要意义——更好地储存气体在下篇中,我们将继续了解金属有机框架的其它应用,以及它的“好兄弟”共价有机框架。


提供水分?吸附毒气?这些它都可以做!


金属有机框架不仅能够储存气体,它在选择性吸附和净化气体方面的能力也备受瞩目。这是因为通过调整它们的化学结构,我们可以使之与某些气体形成更强的相互作用甚至发生化学反应。


例如,来自美国麻省理工学院的研究人员合成出的一种金属有机框架能够选择性地吸收水分,即便在相对湿度只有30%的干燥环境中,这种材料仍然能够吸收自身重量80%左右的水分,因此有望帮助生活在干旱缺水环境的居民更好地获取饮水[1]。还有不少研究人员尝试利用金属有机框架来吸收火电厂排放的废气中的二氧化碳[2],从而为缓解全球气候变暖做出贡献。来自我国北京理工大学的研究人员将金属有机框架制成滤膜,不仅能够吸收汽车尾气中的有害气体,还可以有效吸附PM2.5等颗粒污染物[3]

金属有机框架中的沸石咪唑框架(ZIF),在选择性吸收温室气体上颇具潜力

(图片来源:M. R. Ryder & J.-C. Tan(2014))

 

又如沙林等许多令人毛骨悚然的毒气都含有磷酸酯结构,而某些金属有机框架能够在吸附这些神经毒剂后将磷酸酯结构破坏掉,从而使其失去毒性[4]。在这里,金属有机框架不仅吸附气体,还充当了分解毒气的催化剂。


众所周知,催化剂指的是能够加快化学反应速率,但自身质量和化学结构在反应前后又能保持不变的物质,在工业生产中有着极为重要的应用。按照是否与反应物处于同一种物质状态,催化剂又可分为均相和多相两种,其中多相催化剂更受生产者的青睐,因为它们不会与反应物混溶,反应后的提纯要简便得多。例如分散在液体反应物中的固体催化剂,我们只需要简单的过滤就可以将其与反应物和产物分开。然而,有些催化剂本身是液体,无法以多相的形式存在,我们就不得不采用更加繁琐的纯化步骤。但如果我们将这些液态催化剂变成金属有机框架的组成部分,或者将其吸附到金属有机框架的孔洞中,就有可能将其转化为多相催化剂的形式,从而让生产更加简便[5]


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