Металлоорганические каркасы

Металлоорганические каркасы представляют собой кристаллические пористые твердые тела, построенные путем соединения узлов из ионов металлов с органическими молекулами в открытые сети, сочетающие очень высокую площадь поверхности с химически настраиваемыми порами.

Definition

Металлоорганический каркас — это кристаллический материал, состоящий из ионов или кластеров металлов, соединенных органическими молекулами-линкерами в пористую, периодическую сеть, открытая структура и химически изменяемые поры которой обеспечивают исключительно высокую и настраиваемую внутреннюю площадь поверхности.

Scope

Эта тема охватывает химию металлоорганических каркасов: принцип ретикулярного дизайна, который объединяет неорганические узлы и органические линкеры в предсказуемые, периодические открытые структуры; их рекордную пористость и площадь поверхности; настраиваемость размера пор и химии поверхности путем выбора строительных блоков; и их использование в хранении и разделении газов, катализе и сенсорике. Она рассматривает стабильность каркасов, активацию и взаимосвязь между структурой и функцией.

Core questions

• Как ретикулярная химия строит каркасы из узлов и линкеров?
• Что придает металлоорганическим каркасам их исключительную пористость?
• Как можно настроить размер и химию пор с помощью дизайна?
• Как эти каркасы используются для хранения, разделения и катализа?

Key concepts

• Металлические узлы и органические линкеры
• Ретикулярный синтез
• Постоянная пористость
• Площадь поверхности и настраиваемость пор
• Хранение и разделение газов
• Катализ на каркасах

Key theories

Ретикулярная химия

Рассматривая металлические кластеры как узлы, а органические молекулы как линкеры, каркасы могут быть собраны в предсказуемые сетевые топологии; выбор и удлинение линкера настраивает размер пор и площадь поверхности, сохраняя при этом базовую связность.

Настраиваемая пористость для функции

Открытые поры каркасов с большой площадью поверхности могут быть адаптированы по размеру и химическому составу для селективной адсорбции газов, разделения смесей и размещения каталитически активных металлических узлов или функциональных групп, напрямую связывая дизайн каркаса с его применением.

Mechanisms

Ионы или кластеры металлов и мультитопные органические линкеры самоорганизуются в растворе в кристаллическую сеть, топология которой определяется геометрией строительных блоков; после удаления растворителя-гостя остаются открытые поры, обеспечивающие доступную внутреннюю поверхность для адсорбции и каталитических центров.

Clinical relevance

Металлоорганические каркасы изучаются для хранения водородного и метанового топлива, улавливания диоксида углерода, разделения газовых и жидких смесей, доставки лекарств и в качестве хорошо определенных гетерогенных катализаторов, причем их настраиваемые поры позволяют адаптировать материал к каждой задаче.

History

Пористые координационные сети с постоянной пористостью появились в конце 1990-х годов благодаря работам Яги, Китагавы, Ферея и других, которые показали, что прочные открытые каркасы могут быть спроектированы из металлических узлов и органических линкеров. Последовавшая за этим ретикулярная химия позволила создать тысячи каркасов с рекордными площадями поверхности и широким спектром применений в хранении, разделении и катализе.

Key figures

• Omar Yaghi
• Susumu Kitagawa
• Gérard Férey

Seminal works

• furukawa2013
• lee2009

Frequently asked questions

Как твердое тело может иметь такую большую площадь поверхности?

Металлоорганические каркасы в основном представляют собой пустое пространство: их структура — это открытый каркас из узлов и линкеров, окружающих взаимосвязанные поры. Поскольку все внутренние стенки пор доступны, один грамм может иметь площадь поверхности в тысячи квадратных метров.

Почему ретикулярная химия эффективна для проектирования этих материалов?

Ретикулярная химия рассматривает синтез как сбор конструктора: выбирая металлические узлы и органические линкеры известной геометрии, химики могут нацеливаться на определенную сетевую топологию, а затем регулировать размер и химию пор, заменяя или удлиняя линкер, что обеспечивает рациональный контроль над свойствами материала.