金属-有机框架的水吸附特性与稳定性表征 | 上海楷树化学科技有限公司

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金属-有机框架的水吸附特性与稳定性表征

摘要：
本文系统研究了HKUST-1、ZIF-8、MIL-101、MIL-100(Fe)和DUT-4五种金属-有机框架（MOFs）的水物理吸附特性及水稳定性。通过对比水吸附与氮气吸附等温线，结合XRD稳定性测试，发现HKUST-1和DUT-4在水环境中易分解，而MIL系列和ZIF-8表现出优异稳定性。水吸附不仅揭示了材料的比表面积、孔径和孔容，还反映了其亲疏水性及耐湿性。研究为MOFs在痕量水去除、分子传感等领域的应用提供了关键数据。

研究背景：
1.行业问题与研究现状：MOFs因高比表面积和可调孔结构在气体存储、分离等领域潜力巨大，但水稳定性不足限制了工业化应用。现有研究多聚焦氮气吸附，水吸附数据稀缺，且缺乏对水-框架相互作用的深入理解。
2.本文创新：首次系统对比了五种典型MOFs的水吸附行为与氮气吸附差异，提出“桥接效应”解释水吸附导致的孔容低估现象，并验证了水稳定性与框架亲疏水性的关联，为MOFs的耐湿设计提供新思路。

实验与分析：
1.材料合成与表征：
   - HKUST-1：Cu(NO₃)₂与H₃BTC溶剂热合成，XRD验证结构；
   - ZIF-8：商业采购，XRD确认晶型；
   - MIL-101/100(Fe)：Cr/Fe盐与羧酸配体水热合成，HF调控孔结构；
   - DUT-4：Al(NO₃)₃与萘二甲酸DMF溶剂热合成。
关键表征：77 K氮气吸附（BET比表面积）、298 K水吸附（等温线、热力学计算）、XRD水稳定性测试。
2.性能结果与机理：
   - HKUST-1：高亲水性但水致分解，归因于开放Cu位点与水分子强配位；
   - ZIF-8：超疏水（吸附量<0.02 cm³/g），ZnN₄四面体与咪唑酯键的化学惰性；
   - MIL系列：亲水-疏水混合表面，水吸附量与孔容匹配，水稳定性源于Fe/Cr-O键的耐水解性；
   - DUT-4：疏水但水致部分分解，Al-OH基团水解导致框架坍塌。

总结：
1.主要结果：水吸附等温线揭示了MOFs的亲疏水性差异，MIL系列和ZIF-8兼具水稳定性与吸附性能，HKUST-1和DUT-4因水敏感性受限。
2.创新突破：提出“桥接效应”解释水吸附导致的孔容低估，建立了水稳定性与框架化学组成的关联模型。
3.潜在意义：为耐湿MOFs设计提供理论依据，推动其在湿度传感、气体干燥等工业场景的应用。

Characterization of metal-organic frameworks by water adsorption
文章作者：Pia Küsgens a, Marcus Rose b, Irena Senkovska b, Heidrun Fröde b, Antje Henschel b, Sven Siegle a,1,Stefan Kaskel b,*
DOI: doi:10.1016/j.micromeso.2008.11.020
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1387181108006100

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