【MC-MOF】：用于能源管理的分子笼金属有机框架

首页 > 行业动态 > 【MC-MOF】：用于能源管理的分子笼金属有机框架

摘要：
中南大学谢炜棋和华南理工大学赵建青老师等报道的本篇文章（Sci. Adv. 2024, 10, eadl4449 ）中提出了一种分子笼金属-有机框架材料（MC-MOF），通过扭转共轭配体设计收缩窗口，不牺牲MOF孔隙性，有效防止了聚合过程中不希望发生的分子渗透，保持了MC-MOF的原始孔隙性，为复合材料提供了出色的光热管理。含0.5 wt% MC-MOF的聚合物在550纳米处达到了83%的透光率和93%的高雾度，以及显著的热绝缘性。这些MC-MOF/聚合物复合材料与传统玻璃材料相比，在可持续建筑中提供了更均匀的日光照明和降低能耗的潜力。该工作通过分子笼设计，提供了一种在聚合物中保持MOF孔隙性的通用方法，推动了MOF-聚合物在能源和可持续性应用方面的发展。

研究背景：
1. 金属-有机框架材料（MOFs）与聚合物结合使用时，其暴露的MOF孔洞易受到小分子如单体和固化剂的渗透，或聚合物的相互渗透，导致MOF孔隙性降低，性能受损。
2. 现有方法通常围绕选择具有小孔径的MOFs，如UiO-66或ZIF-8，以避免不希望的分子渗透。但这一策略并不普遍适用于各种MOFs。
3. 作者提出了分子笼MOF（MC-MOF）的概念，通过配体工程实现窗口收缩，不牺牲孔隙性。利用分子笼有效抵御分子和聚合物的渗透，保持了MC-MOF的高孔隙性，并优化了其在聚合物基质中的性能。

实验部分：
1. 合成 UiO-68 和 Zr-DPA 金属有机框架 (MOFs)：
   - 使用三氟乙酸 (TFA) 作为调节剂，通过溶剂热法合成了 UiO-68 和 Zr-DPA，并通过扫描电子显微镜 (SEM)、动态光散射和 X 射线衍射 (XRD) 进行了粒径和晶体结构表征。
2. 制备 MOF-聚合物复合材料：
   - 将 MOFs (UiO-68 或 Zr-DPA) 与环氧树脂预聚物 DGEBA 和固化剂 MHHPA 混合，加入加速剂 DMP-30，脱泡后固化，制备了 MOF/聚合物复合材料。
3. 光学性能测试：
   - 测量了复合材料的透光率、雾度和紫外屏蔽性能，评估了其在建筑光学材料中的应用潜力。
4. 热管理性能测试：
   - 测定了 Zr-DPA/EP 的热导率，并与传统玻璃材料进行了比较，评估了其在热绝缘方面的性能。
5. 光热管理模拟：
   - 构建了 10 cm x 10 cm x 1 mm 的 Zr-DPA/EP 大型样品，通过激光照射测试评估了其在光管理方面的性能。
6. 能量消耗模拟：
   - 使用 EnergyPlus 软件模拟了在不同城市中使用 Zr-DPA/EP 材料的建筑物在冬季的能耗情况。

分析测试：
1. 比表面积和孔隙性测试：
   - 使用全自动比表面积和孔隙性分析仪，测得 UiO-68 的比表面积为 2823 m²/g，Zr-DPA 为 2701 m²/g。
2. X 射线衍射 (XRD) 分析：
   - 确认了合成的 UiO-68 和 Zr-DPA 的高结晶性，并与模拟 XRD 谱图进行了比较。
3. 傅里叶变换红外光谱 (FTIR)：
   - 进一步验证了 MOF 成功合成的结构特征。
4. 扫描电子显微镜 (SEM)：
   - 观察了 MOFs 的形态和复合材料的断裂表面，提供了粒子尺寸和分布信息。
5. 紫外-可见光谱光度计：
   - 测量了光学性质，包括透光率、雾度和紫外屏蔽性能，Zr-DPA/EP 在 550 nm 处达到了 83% 的透光率和 93% 的高雾度。
6. 热导率测试：
   - 使用激光闪光热导率测试仪等设备，测得 Zr-DPA/EP 的热导率为 0.16 W m−1 K−1，远低于传统玻璃的热导率。
7. 密度泛函理论 (DFT) 计算：
   - 计算了 UiO-68 和 Zr-DPA 中甲基六氢苯二酸酐 (MHHPA) 分子的扩散能量势垒，结果表明 Zr-DPA 中的分子笼可以有效抑制固化剂的渗透，保持孔隙性。

总结：
本文通过配体工程创新性地设计了分子笼MOF（MC-MOF），解决了MOF在聚合物基质中孔隙性受损的问题。合成的Zr-DPA/EP复合材料在保持高透光率的同时，展现出了卓越的雾度和热绝缘性能，为可持续建筑的光热管理提供了一种新的材料选择。此外，该材料还具有广泛的紫外屏蔽和荧光响应特性，为MOF-聚合物复合材料在能源管理领域的应用开辟了新的可能性。

展望：
1. 关注MC-MOF/聚合物复合材料在实际应用环境中的长期稳定性和耐久性。
2. 研究应包括成本效益分析，以评估该材料在商业应用中的可行性。
3. 探索该材料在其他能源管理领域的应用，如智能窗户、光伏器件等。
4. 进行环境影响评估，以确保材料的生产和使用对环境友好。
5. 研究规模化生产的可能性，以及如何保持材料性能的一致性。
6. 研究MC-MOF与其它类型材料的集成，以开发多功能复合材料。

Molecular-caged metal-organic frameworks for energy management
文章作者：Minghong Wu, Gengye Lin, Rui Li, Xing Liu, Shumei Liu, Jianqing Zhao*, Weiqi Xie*
DOI：10.1126/sciadv.adl4449
文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl4449

本文为科研用户原创分享上传用于学术宣传交流，具体内容请查阅上述论文，如有错误、侵权等请联系修改、删除。未经允许第三方不得复制转载。