Khung kim loại-hữu cơ

Khung kim loại-hữu cơ là các chất rắn xốp kết tinh được tạo thành bằng cách liên kết các nút ion kim loại với các phân tử hữu cơ thành các mạng lưới mở, kết hợp diện tích bề mặt rất cao với các lỗ xốp có thể điều chỉnh hóa học.

Definition

Khung kim loại-hữu cơ là một vật liệu kết tinh bao gồm các ion hoặc cụm kim loại được kết nối bởi các phân tử liên kết hữu cơ thành một mạng lưới xốp, tuần hoàn, có cấu trúc mở và các lỗ xốp có thể thay đổi hóa học mang lại diện tích bề mặt bên trong đặc biệt cao và có thể điều chỉnh được.

Scope

Chủ đề này bao gồm hóa học của khung kim loại-hữu cơ: nguyên lý thiết kế mạng lưới liên kết các nút vô cơ và các chất liên kết hữu cơ thành các cấu trúc mở, tuần hoàn, có thể dự đoán được; độ xốp và diện tích bề mặt kỷ lục của chúng; khả năng điều chỉnh kích thước lỗ xốp và hóa học bề mặt bằng cách lựa chọn các khối xây dựng; và việc sử dụng chúng trong lưu trữ và tách khí, xúc tác và cảm biến. Nó đề cập đến sự ổn định của khung, sự kích hoạt và mối quan hệ giữa cấu trúc và chức năng.

Core questions

• Hóa học mạng lưới xây dựng khung từ các nút và chất liên kết như thế nào?
• Điều gì mang lại cho khung kim loại-hữu cơ độ xốp đặc biệt của chúng?
• Làm thế nào có thể điều chỉnh kích thước và hóa học lỗ xốp bằng thiết kế?
• Các khung này được sử dụng để lưu trữ, tách và xúc tác như thế nào?

Key concepts

• Các nút kim loại và các chất liên kết hữu cơ
• Tổng hợp mạng lưới
• Độ xốp vĩnh cửu
• Diện tích bề mặt và khả năng điều chỉnh lỗ xốp
• Lưu trữ và tách khí
• Xúc tác khung

Key theories

Hóa học mạng lưới

Bằng cách coi các cụm kim loại là các nút và các phân tử hữu cơ là các chất liên kết, các khung có thể được lắp ráp thành các cấu trúc topo mạng lưới có thể dự đoán được; việc lựa chọn và kéo dài chất liên kết điều chỉnh kích thước lỗ xốp và diện tích bề mặt trong khi vẫn giữ được kết nối cơ bản.

Độ xốp có thể điều chỉnh cho chức năng

Các lỗ xốp mở, có diện tích bề mặt cao của khung có thể được điều chỉnh về kích thước và hóa học để hấp phụ khí chọn lọc, tách hỗn hợp và chứa các nút kim loại hoặc nhóm chức có hoạt tính xúc tác, liên kết trực tiếp thiết kế khung với ứng dụng.

Mechanisms

Các ion hoặc cụm kim loại và các chất liên kết hữu cơ đa chức tự lắp ráp trong dung dịch thành một mạng lưới kết tinh có cấu trúc topo được xác định bởi hình học của các khối xây dựng; sau khi loại bỏ dung môi khách, các lỗ xốp mở vẫn còn, cung cấp bề mặt bên trong có thể tiếp cận được cho quá trình hấp phụ và các vị trí xúc tác.

Clinical relevance

Khung kim loại-hữu cơ được nghiên cứu để lưu trữ nhiên liệu hydro và metan, thu giữ carbon dioxide, tách hỗn hợp khí và lỏng, vận chuyển thuốc và đóng vai trò là chất xúc tác dị thể được xác định rõ ràng, với các lỗ xốp có thể điều chỉnh cho phép vật liệu phù hợp với từng nhiệm vụ.

History

Các mạng lưới phối trí xốp có độ xốp vĩnh cửu xuất hiện vào cuối những năm 1990 thông qua công trình của Yaghi, Kitagawa, Férey và những người khác, những người đã chỉ ra rằng các khung mở bền vững có thể được thiết kế từ các nút kim loại và các chất liên kết hữu cơ. Hóa học mạng lưới sau đó đã tạo ra hàng nghìn khung với diện tích bề mặt kỷ lục và một loạt các ứng dụng lưu trữ, tách và xúc tác.

Key figures

• Omar Yaghi
• Susumu Kitagawa
• Gérard Férey

Seminal works

• furukawa2013
• lee2009

Frequently asked questions

Làm thế nào một chất rắn có thể có diện tích bề mặt lớn như vậy?

Khung kim loại-hữu cơ chủ yếu là không gian trống: cấu trúc của chúng là một giàn giáo mở gồm các nút và chất liên kết bao quanh các lỗ xốp liên kết với nhau. Vì tất cả các thành lỗ xốp bên trong đều có thể tiếp cận được, một gram vật liệu có thể có diện tích bề mặt hàng nghìn mét vuông.

Tại sao hóa học mạng lưới lại mạnh mẽ trong việc thiết kế các vật liệu này?

Hóa học mạng lưới coi quá trình tổng hợp giống như lắp ráp một bộ dụng cụ xây dựng: bằng cách chọn các nút kim loại và các chất liên kết hữu cơ có hình học đã biết, các nhà hóa học có thể nhắm mục tiêu đến một cấu trúc topo mạng lưới cụ thể và sau đó điều chỉnh kích thước và hóa học lỗ xốp bằng cách thay thế hoặc kéo dài chất liên kết, mang lại khả năng kiểm soát hợp lý các đặc tính của vật liệu.