金属有机骨架

金属有机骨架是由金属离子节点与有机分子连接而成的晶态多孔固体，形成开放网络，结合了极高的表面积和化学可调的孔隙。

Definition

金属有机骨架是一种晶体材料，由金属离子或簇通过有机连接分子连接成多孔的周期性网络，其开放结构和化学可变的孔隙提供了异常高且可调的内表面积。

Scope

本主题涵盖了金属有机骨架的化学：将无机节点和有机连接体连接成可预测的周期性开放结构的网状设计原理；它们创纪录的孔隙率和表面积；通过选择构建单元来调节孔径和表面化学性质；以及它们在气体储存和分离、催化和传感中的应用。它还讨论了骨架的稳定性、活化以及结构与功能之间的关系。

Core questions

• 网状化学如何从节点和连接体构建骨架？
• 是什么赋予了金属有机骨架卓越的孔隙率？
• 如何通过设计调节孔径和化学性质？
• 这些骨架如何用于储存、分离和催化？

Key concepts

• 金属节点和有机连接体
• 网状合成
• 永久孔隙率
• 表面积和孔隙可调性
• 气体储存和分离
• 骨架催化

Key theories

网状化学

通过将金属簇视为节点，有机分子视为连接体，骨架可以组装成可预测的网络拓扑结构；选择和延长连接体可以调节孔径和表面积，同时保持底层的连接性。

可调孔隙率实现功能

骨架的开放、高表面积孔隙可以在尺寸和化学性质上进行调整，以选择性吸附气体、分离混合物，并容纳具有催化活性的金属节点或官能团，从而将骨架设计与应用直接联系起来。

Mechanisms

金属离子或簇和多位有机连接体在溶液中自组装成晶体网络，其拓扑结构由构建单元的几何形状决定；去除客体溶剂后，开放的孔隙仍然存在，为吸附和催化位点提供了可及的内表面。

Clinical relevance

金属有机骨架被研究用于储存氢气和甲烷燃料、捕获二氧化碳、分离气体和液体混合物、药物输送以及作为明确定义的非均相催化剂，其可调的孔隙允许材料与每项任务相匹配。

History

具有永久孔隙率的多孔配位网络于1990年代后期通过Yaghi、Kitagawa、Férey等人的工作而出现，他们表明可以从金属节点和有机连接体设计出坚固的开放骨架。随后的网状化学产生了数千种具有创纪录表面积和广泛储存、分离和催化应用的骨架。

Key figures

• Omar Yaghi
• Susumu Kitagawa
• Gérard Férey

Seminal works

• furukawa2013
• lee2009

Frequently asked questions

固体如何拥有如此大的表面积？

金属有机骨架大部分是空隙：它们的结构是由节点和连接体围绕相互连接的孔隙组成的开放支架。由于内部孔壁都是可及的，一克材料可以提供数千平方米的表面积。

为什么网状化学对于设计这些材料如此强大？

网状化学将合成视为组装一个构建套件：通过选择已知几何形状的金属节点和有机连接体，化学家可以针对特定的网络拓扑结构，然后通过更换或延长连接体来调整孔径和化学性质，从而对材料的性能进行理性控制。