下文转自 科学温故社
第一作者和单位：Huabin zhang，新加坡南洋理工大学
通讯作者和单位：楼雄文，新加坡南洋理工大学；
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2017.08.008
截止时间2020-11-20日，引用率317次（Web of Science）
探索新型功能材料对科学技术的发展至关重要，在过去的几十年中，具有高孔隙率和化学组分可调的金属有机框架（MOFs）及其复合物和衍生物在气体存储，能源转换和环境修复方面发挥着越来越大的作用。本综述重点介绍了基于MOFs材料在可再生能源和环境科学中的应用。具体来说，首先介绍和讨论了基于MOFs材料的发展和优势。然后，将重点放在MOFs材料的制备策略以及在气体吸附，能量转换和存储等领域中的应用的介绍。最后，对这些先进材料的制备和应用进行了展望。在过去的几十年中，全球能源消耗呈指数增长，全球80％的可消耗能源来自化石燃料，这导致了严重的能源危机和全球变暖问题、并促使科学家们开发环境友好型的能源。同时，高效的能量转换和存储系统对于更好地利用这些可再生能源必不可少。最近，金属有机框架（MOFs）的研究已成为材料和化学界中最活跃的研究领域之一。通常，可以通过组装各种金属簇/离子和有机配体来直接设计合成MOFs。得益于其超高孔隙率、可控的孔径、晶体性质和高度有序的结构，MOFs已成功应用于气体捕获和能量转换等相关能源领域。此外，MOFs与其他功能材料（半导体，石墨烯等）等的合理组合各个功能单元之间的协同效应，与单组分相比，复合材料表现出更好的性能。此外，研究者已经广泛探索了纳米结构的MOFs，将其作为制备具有规则多孔结构的各种纳米材料的前体。从碳基材料到金属基材料（例如，氧化物，碳化物，硫族化合物和磷化物）都展示出了MOFs材料在结构优化和组分调整方面的显著优势。要点1.重点关注了基于MOFs材料（原始MOF、MOF复合材料和MOF衍生物）在H2吸附和析出、CO2储存和转化、O2催化利用、可充电电池、超级电容器和太阳能电池方面的应用。
要点2.讨论基于MOF材料的开发相关的优点和挑战。总结有关研究领域的一些近期重要发现，从而系统地理解这些主题，并从不同的研究主题中提取出可能的基本原理。要点3.提供一些MOF材料方面未来可能的研究方向。
图1.本文主要内容的示意图，包括原始MOF、MOF复合材料和MOF衍生物以及一些主要应用。
根据化学和材料科学方面的结构性质不同，可以将MOF分为配位聚合物和无机-有机杂化物。1995年，Omar M. Yaghi教授定义了MOF的概念，并强调了其框架作为一种多孔基质的性质。MOF中的有机连接基通常是双位/多位有机羧酸盐/多氮化合物，其中主要的配位方式是氧和氮配位。金属离子/簇与有机连接基团之间的配位作用比氢键要强，并且比其他弱相互作用表现出更高的方向性和规律性。迄今为止，学术界已经合成和研究了20,000多种不同的MOFs材料。并且可以在1,000至10,000 m2 g-1范围内调节MOF的比表面积，超过了传统多孔材料（如碳和沸石）的比表面积。这些特性使MOF成为理想的气体存储和催化材料。由于MOF的多孔性质及其吸引人的组分（包括各种有机连接基和丰富的金属离子/簇），MOF可以转化为碳基或金属基多孔材料。同时，MOF中被有机连接基包围的金属离子可以通过碳热还原过程还原为金属复合物。特定的MOF经过碳化都可以得到衍生的碳或碳金属多孔材料。除了提供各种纳米结构外，MOF及其衍生的化合物还可以通过杂原子进行选择性修饰。为此，最流行的策略包括（1）原位掺杂：预先将杂原子掺入配体中；（2）后处理掺杂：在煅烧中与含杂原子的单元混合。MOF的这些衍生物在很大程度上扩展了MOFs材料的利用。氢具有高热值、燃烧产物仅为水等优势，是理想的能源载体，也是解决现代社会日益严重的环境问题的最有希望的解决方案之一。氢能是车载燃料的主要候选者，并且储氢和析氢反应吸引了广泛关注。
“MOF”的定义很好地预测了它们的气体吸附和储存能力。自2003年Yaghi 报告MOF-5的储氢能力（图2）以来，学术界已经设计和开发了数百种用于储氢的MOFs。MOFs储氢虽然取得了一定进展，但仍然难以达到美国能源局（DOE）制定的储氢标准。可能是由于H2储存中的吸附力主要基于范德华力这种弱相互作用，该相互作用在升高的操作温度下会变得更弱。目前储氢材料依然难以摆脱低温储备的桎梏，使得其不便于现实应用产生。科学家试图通过在MOF基质中引入更多的吸附位点（例如，开放的金属位点）来增强氢分子与MOF之间的相互作用，从而解决这一问题。
MOFs材料在光催化水分解中也发挥着重要作用。在光催化制氢过程中，必须有两个基本功能单元：用于收集太阳能的光敏剂和用于氢析出的助催化剂（从光敏剂接收电子）。
可以将一些吸收光的生色团（卟啉单元、基于Ir/Ru的络合物、2-氨基对苯二甲酸酯等）引入MOF的配体中。研究证明该策略不仅可以有效地促进光的收集，而且可以促进能量转换过程中的电荷分离，使MOF成为出色的光敏剂。
图3.MOF材光催化的结构分析、UV-Vis吸收、催化性能和相关的反应机理研究
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