2019年04月12日 星期五
有机框架成为贮存气体佼佼者
□ 魏昕宇

    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。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,从而为缓解全球气候变暖作出贡献。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。

    许多金属有机框架由于特殊的化学结构,可以选择性地吸收可见光中某些波长的光,从而让自身带上特定的颜色。还有些金属有机框架能够在吸收某些波长的可见光或者紫外线后,将部分能量重新以光的形式释放出来,即通常所说的荧光或者磷光。如果其他化学物质进入到这些金属有机框架的孔洞中,与金属原子或者有机配体发生作用,就有可能改变材料的化学结构。这样的金属有机框架可以成为非常灵敏的传感器,用来检测环境中微量的化学物质,特别是有毒有害物质。有些金属有机框架材料可以被用来检测不同溶剂,还有的则可以用来检测某些爆炸物。

    值得一提的是,就在前不久,来自洛桑联邦理工学院的研究人员,利用金属有机框架的超强吸附能力,成功开发出一种新材料,能够将废水、污水和天然水体中含有的微量的黄金高效快捷地提取出来。

    正是由于金属有机框架的诸多独特优点,这一类新材料成为基础科学研究人员关注的热点,开始吸引企业界的目光。世界最大的化工企业巴斯福不仅开始小规模生产销售多种金属有机框架,还在几年前展示了以金属有机框架作为气体存储手段的甲烷动力汽车。

    2016年,一家名为NuMat Technologies的公司推出了用于储存砷化氢、磷化氢和三氟化硼等气体的金属有机框架。这些气体广泛用于半导体工业,但毒性极强,用传统的高压钢瓶储存会带来很大的安全隐患,而借助金属有机框架,这些气体可以被存储在压强低于大气压的容器中。这样一来,即便容器破损,毒气也很难向外扩散,从而保证了使用者的安全。

    不过,金属有机框架要想收获更多的“订单”,还需要克服不少障碍,最大的问题在于金属有机框架的生产成本还是太高。巴斯福公司生产的金属有机框架,每500克的售价高达几千美元,足以让许多消费者望而却步。因此,开发廉价的生产技术势在必行。另外,不少金属有机框架的化学稳定性不够好,特别是在潮湿的环境中容易变得不稳定,这也可能妨碍这种新材料的应用。

    在研究人员继续完善现有的金属有机框架技术的同时,另一种类似的多孔材料进入了人们的视野,那就是共价有机框架。

    由于具有与金属有机框架类似的多孔结构,共价有机框架也被认为将会在气体储存和纯化、催化、分析测试等领域大有作为。而且由于网络中不再含有金属和配位键,共价有机框架有望实现更低的密度和更好的化学稳定性,这都使得共价有机框架成为颇具发展前途的新材料。

    近些年来,共价有机框架领域的研究人员奋起直追,已经取得不少可喜的成果。北京化工大学和德国汉诺威莱布尼茨大学的研究人员合作开发出基于共价有机框架的新型滤膜,能够有效地去除水中的药物分子等有机污染物。

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