金属有机框架材料

金属有机框架材料 (MOF) 是一类由金属离子或金属簇与有机配体配位形成一维、二维或三维结构的化合物。 所包括的有机配体有时被称为支柱或接头，一个例子是 1,4-苯二甲酸 (BDC)。

更正式地说，金属有机骨架是一种结晶材料，其有机配体含有潜在的空隙。 在大多数情况下，对于 MOF，孔在客体分子（通常是溶剂）消除期间是稳定的，并且可以用其他化合物重新填充。 由于这一特性，MOF 可用于储存氢气和二氧化碳等气体。 MOF 的其他可能应用包括气体净化、气体分离、水处理、催化、导电固体和超级电容器。

MOF 的合成和性质构成了网状化学（来自拉丁语 reticulum，small net）学科的主要焦点。 与 MOF 不同，共价有机框架 (COF) 完全由具有扩展结构的轻元素（H、B、C、N 和 O）制成。

MOF 由两个主要成分组成：无机金属簇（通常称为二次构建单元或 SBU）和称为连接体的有机分子。 因此，这些材料通常被称为杂化有机-无机材料。 有机单元通常是单价、二价、三价或四价配体。 金属和接头的选择决定了 MOF 的结构和特性。 例如，金属的配位偏好通过决定有多少配体可以与金属结合以及在哪个方向上来影响孔的大小和形状。

为了描述和组织 MOF 的结构，已经开发了一个命名系统。 MOF 的子单元，称为二级构建单元 (SBU)，可以通过几种结构共有的拓扑来描述。 每个拓扑结构（也称为网络）都分配有一个符号，由三个粗体小写字母组成。 例如，MOF-5 有一个 pcu 网络。

连接到 SBU 的是桥接配体。 对于 MOF，典型的桥连配体是二羧酸和三羧酸。 这些配体通常具有刚性主链。 实例是苯-1,4-二羧酸（BDC 或对苯二甲酸）、联苯-4,4'-二羧酸 (BPDC) 和三羧酸均苯三甲酸。

MOFs的研究起源于配位化学和固态无机化学，但它发展形成了一个新的领域。 此外，MOF 由在整个合成过程中保持完整的桥接有机配体构成。 沸石合成通常使用模板。 模板是影响不断增长的无机骨架结构的离子。 典型的模板离子是季铵阳离子，稍后会被去除。 在 MOF 中，框架由 SBU（二级构建单元）和有机配体模板化。 一种适用于用于储气的 MOF 的模板方法是使用金属结合溶剂，例如 N,N-二乙基甲酰胺和水。 在这些情况下，当溶剂被抽空时，金属位点会暴露出来，从而使氢气结合在这些位点上。

四项发展对于推进 MOF 化学尤为重要。 (1) 含金属单元保持刚性形状的几何构造原理。 早期的 MOF 包含连接到双位配位接头的单个原子。 该方法不仅导致识别出少数可在设计合成中作为目标的首选拓扑结构，而且是实现xxx孔隙率的中心点。 (2) 使用等网状原理，在不改变其拓扑结构的情况下改变结构的大小和性质，导致 MOF 具有超高孔隙率和异常大的孔隙开口。 (3) MOFs 的合成后修饰通过有机单元和金属有机络合物与连接体反应来增加它们的功能。 (4) 多功能 MOFs 在单一框架中整合了多种功能。

由于 MOF 中的配体通常可逆地结合，晶体的缓慢生长通常允许缺陷重新溶解，从而产生具有毫米级晶体和接近平衡缺陷密度的材料。 溶剂热合成可用于生长适合结构测定的晶体，因为晶体会在数小时到数天的过程中生长。 然而，将 MOF 用作消费品的存储材料需要极大地扩大其合成规模。 MOF 的放大尚未得到广泛研究，尽管几个小组已经证明微波可用于从溶液中快速使 MOF 晶体成核。 这种称为微波辅助溶剂热合成的技术广泛用于沸石文献中，可在几秒到几分钟内产生微米级晶体，产量与缓慢生长方法相似。