多孔氫鍵有機(jī)框架材料的研究進(jìn)展

王興剛

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅蘭州 730060）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新，越來越多的新型材料進(jìn)入到實(shí)踐領(lǐng)域，滿足經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)、社會生活的基本要求[1]。多孔氫鍵有機(jī)框架是目前成熟的新型材料，其在材料物化屬性、材料制備難度以及加工成本等方面表現(xiàn)出極為明顯的優(yōu)勢。相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊、生產(chǎn)企業(yè)投入大量資源，對多孔氫鍵有機(jī)框架材料開展系統(tǒng)行的研發(fā)，逐步形成完善的材料研發(fā)、生產(chǎn)機(jī)制，滿足不同場景下的材料使用需求?；谶@種材料研發(fā)與使用的實(shí)際，本文在論述多孔氫鍵有機(jī)框架材料結(jié)構(gòu)特性與材料特點(diǎn)的前提下，對現(xiàn)階段合成方法以及應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行總結(jié)，旨在理順?biāo)悸?，為后續(xù)多孔氫鍵有機(jī)框架材料的研發(fā)升級提供方向性引導(dǎo)。

1 多孔氫鍵有機(jī)框架材料概述

系統(tǒng)分析多孔氫鍵有機(jī)框架材料基本形態(tài)與主要特點(diǎn)，有助于工作人員在思維層面形成準(zhǔn)確地認(rèn)知，精準(zhǔn)把握其分子結(jié)構(gòu)特性、物化特征，為后續(xù)材料合成加工機(jī)制的總結(jié)以及應(yīng)用領(lǐng)域的探討奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

1.1 多孔氫鍵有機(jī)框架材料結(jié)構(gòu)分析

多孔氫鍵有機(jī)框架材料主要通過氫鍵將有機(jī)或者金屬-有機(jī)單元連接起來，形成的一種框架結(jié)構(gòu)，由于氫鍵的強(qiáng)度較低，材料柔性較強(qiáng)，因此多孔氫鍵有機(jī)框架出現(xiàn)坍塌的機(jī)率較大[2]。近些年來，部分技術(shù)團(tuán)隊通過剛性幾何結(jié)構(gòu)、π-π作用、靜電作用，強(qiáng)化分子與分子之間的作用力，定向提升氫鍵的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，形成多孔氫鍵有機(jī)框材料?；谶@種技術(shù)理念，在較長的一段時間內(nèi)，技術(shù)團(tuán)隊嘗試?yán)酶黝愑袡C(jī)物單元，進(jìn)行多孔氫鍵有機(jī)框架材料性能的拓展，經(jīng)過摸索，使得多孔氫鍵有機(jī)框架材料合成技術(shù)日益成熟，材料性狀更為穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于氣體吸附、催化、分離以及質(zhì)子傳導(dǎo)等多個領(lǐng)域。

1.2 多孔氫鍵有機(jī)框架材料主要特點(diǎn)

多孔氫鍵有機(jī)框架材料由于自身結(jié)構(gòu)組成以及制備方法的特殊性，與其他材料相比，表現(xiàn)出更為顯著的材料特性。多孔氫鍵有機(jī)框架材料制備條件相對簡單，可以在較為溫和的條件下進(jìn)行材料合成，這種特點(diǎn)使得多孔氫鍵有機(jī)框架材料的加工難度相對較低，減少了人員、設(shè)備等方面的費(fèi)用支出，增強(qiáng)了多孔氫鍵有機(jī)框架材料的實(shí)用屬性。同時多孔氫鍵有機(jī)框架材料具備較強(qiáng)的結(jié)晶性，合成制備環(huán)節(jié)生成的過程性材料更容易存儲，避免了對生態(tài)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)了材料的綠色化屬性[3]。多孔氫鍵有機(jī)框架材料，盡管利用剛性結(jié)構(gòu)、靜電作用等路徑，對氫鍵進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性的加強(qiáng)，但是由于氫鍵特殊的分子屬性，在外力作用下發(fā)生破壞后，仍舊可以利用相關(guān)的技術(shù)手段，對氫鍵開展恢復(fù)，這種技術(shù)特點(diǎn)使得多孔氫鍵有機(jī)框架材料在實(shí)踐應(yīng)用環(huán)節(jié)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的可修復(fù)性，實(shí)現(xiàn)了材料的重復(fù)性利用。多孔氫鍵有機(jī)框架材料在加工難度、生產(chǎn)綠色性以及可修復(fù)性等方面的材料優(yōu)勢，促進(jìn)越來越多的行業(yè)在材料選擇時，傾向于多孔氫鍵有機(jī)框架材料，以更好地滿足生態(tài)保護(hù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及社會生活中對于新材料的使用需求。

2 多孔氫鍵有機(jī)框架材料主要合成方法

經(jīng)過長時間的技術(shù)深耕，多孔氫鍵有機(jī)框架材料合成方法日益多元，對現(xiàn)階段主流多孔氫鍵有機(jī)框架材料主流合成方法的系統(tǒng)性分析，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，技術(shù)方法的完善，對多孔氫鍵有機(jī)框架材料合成方法的創(chuàng)新提供了方向性引導(dǎo)，避免技術(shù)升級的盲目性。

2.1 溶劑揮發(fā)法在多孔氫鍵有機(jī)框架材料合成中應(yīng)用

溶劑揮發(fā)法在應(yīng)用過程中，需要技術(shù)人員將良溶劑與有機(jī)配體按照一定的比例進(jìn)行溶解，將溶解后得到的混合溶劑放置于小燒杯之中。通過靜置處理的方式，使得溶劑逐步揮發(fā)形成多孔氫鍵有機(jī)框架材料晶體，出于提升結(jié)晶速度以及結(jié)晶質(zhì)量的考量，可以在燒杯口的位置套裝過濾紙，以此來達(dá)到控制溶劑揮發(fā)速度的目的。溶劑揮發(fā)法往往要求在常溫下進(jìn)行靜置揮發(fā)，這就要求技術(shù)人員在溶劑選擇過程中，應(yīng)當(dāng)選擇沸點(diǎn)較低的溶劑品類，以此來縮短多孔氫鍵有機(jī)框架材料靜置周期，減少等待時間。溶劑揮發(fā)法在多孔氫鍵有機(jī)框架材料合成制備過程中，盡管制備的周期相對較長，但是獲得的材料晶體粒徑較大，符合后續(xù)的使用需求，降低了多孔氫鍵有機(jī)框架材料加工制備的難度[4]。

2.2 擴(kuò)散法在多孔氫鍵有機(jī)框架材料合成中的應(yīng)用

目前多孔氫鍵有機(jī)框架材料合成中的擴(kuò)散法主要包括氣相擴(kuò)散法以及液相擴(kuò)散法兩種。氣相擴(kuò)散法在應(yīng)用環(huán)節(jié)，技術(shù)人員將有機(jī)配體溶解在沸點(diǎn)較高的良性溶劑之中，溶解操作完成后，通過揮發(fā)擴(kuò)散的方式，將三乙胺、吡啶等揮發(fā)性不良的溶劑輸送到制定的密封性容器內(nèi)，借助揮發(fā)性不良溶劑的析出作用，形成多孔氫鍵有機(jī)框架材料晶體。目前在多孔氫鍵有機(jī)框架材料氣相擴(kuò)散法應(yīng)用過程中，主要采用大瓶套小瓶的方式，以保證制備環(huán)節(jié)的密封性，所選用的良性溶劑以及不良性溶劑，在品類選擇上，應(yīng)當(dāng)做好鑒別，保證兩種溶劑的可溶性。在液相擴(kuò)散法的應(yīng)用過程中，技術(shù)人員需要率先確定不同類型的反應(yīng)物，確定反應(yīng)界面，在反應(yīng)界面的附近區(qū)域采取溶劑擴(kuò)散的方式，對反應(yīng)流程的進(jìn)行速度做好調(diào)控，避免反應(yīng)速度過快或者過慢的情況發(fā)生。從過往的經(jīng)驗(yàn)來，液相擴(kuò)散法對于氫鍵、受體的溶解速度較慢，劇烈程度較低，可以更好地保證多孔氫鍵有機(jī)框架材料晶體的質(zhì)量與形狀特征。在某些對多孔氫鍵有機(jī)框架材料晶體質(zhì)量要求較高的生產(chǎn)加工任務(wù)中，多數(shù)生產(chǎn)加工企業(yè)會選用擴(kuò)散法進(jìn)行多孔氫鍵有機(jī)框架材料的合成與制備。

2.3 溶劑熱合成法在多孔氫鍵有機(jī)框架合成中的應(yīng)用

溶劑熱合法在多孔氫鍵有機(jī)框架材料合成環(huán)節(jié)，技術(shù)人員需要對整個生產(chǎn)條件進(jìn)行精準(zhǔn)化管控，從過往經(jīng)驗(yàn)來看，溶劑熱合法以高溫高壓作為主要的反應(yīng)條件，通過溫度、壓力要素的控制，以實(shí)現(xiàn)溶解度的提升，縮短整個多孔氫鍵有機(jī)框架材料合成的時間周期。因此在實(shí)際的操作環(huán)節(jié)，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)在科學(xué)性原則、實(shí)用性原則的框架下，對整個合成反應(yīng)流程做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，避免溫度、壓力等因素調(diào)控不精準(zhǔn)，引發(fā)合成質(zhì)量問題[5]。除了做好反應(yīng)條件的管控之外，技術(shù)人員還需要選擇恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)溶劑，目前使用頻率較高的溶劑主要有DMSO、NMP等幾大類，這些溶劑的屬性很好地契合溶劑熱合成法的反應(yīng)機(jī)理，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。目前溶劑熱合法應(yīng)用過程中，技術(shù)人員可以利用真空封管法、反應(yīng)釜法等技術(shù)方案，來完成多孔氫鍵有機(jī)框架材料的合成任務(wù)。真空封管法應(yīng)用環(huán)節(jié)，技術(shù)人員將稱量好的有機(jī)配體、溶劑放入到反應(yīng)容器之中，利用超聲設(shè)備，加速反應(yīng)物的溶解，溶解完成后，將混合物輸送到烘箱內(nèi)，利用烘箱的高溫、高壓環(huán)境，完成多孔氫鍵有機(jī)框架材料晶體的制備。反應(yīng)釜法在應(yīng)用環(huán)節(jié)，技術(shù)人員需要將完成配比操作的原料，放入反應(yīng)釜的內(nèi)襯之中，在此基礎(chǔ)上，加入有機(jī)溶劑，采取密封處理后，將反應(yīng)釜放入烘箱之中，對烘箱溫度進(jìn)行設(shè)定，烘箱根據(jù)設(shè)定的溫度，通過溫度條件要素的控制，加速多孔氫鍵有機(jī)框架材料晶體析出的速度。

3 多孔氫鍵有機(jī)框架材料的應(yīng)用領(lǐng)域

多孔氫鍵有機(jī)框架材料應(yīng)用領(lǐng)域的探討，進(jìn)一步細(xì)化了材料應(yīng)用范疇，逐步明確多孔氫鍵有機(jī)框架材料應(yīng)用環(huán)節(jié)的注意事項，確保了其在相關(guān)領(lǐng)域的針對性應(yīng)用，提升多孔氫鍵有機(jī)框架材料的實(shí)用性，促進(jìn)其實(shí)踐價值的充分發(fā)揮。

3.1 多孔氫鍵有機(jī)框架材料在氣體存儲與分離中的應(yīng)用

多孔氫鍵有機(jī)框架材料可以用于氣體的存儲，在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)節(jié)，技術(shù)人員可以根據(jù)存儲氣體的性狀，對多孔氫鍵有機(jī)框架材料孔道內(nèi)部進(jìn)行必要的調(diào)整，以持續(xù)提升多孔氫鍵有機(jī)框架材料對于氣體的存儲能力。從過往經(jīng)驗(yàn)來看，多孔氫鍵有機(jī)框架材料對于二氧化碳、乙烯等氣體具有較強(qiáng)吸附能力。以二氧化碳吸附為例，多孔氫鍵有機(jī)框架材料自身的孔道尺寸較大，晶體結(jié)構(gòu)可以與二氧化碳的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生較強(qiáng)的相互作用，進(jìn)而增強(qiáng)二氧化碳的氣體吸附效果，完成二氧化碳的快速處理。與傳統(tǒng)的氣體存儲與分離方式相比，多孔氫鍵有機(jī)框架材料的實(shí)用性較強(qiáng)，操作難度較低，控制了成本投入，可以較好地提升氣體分離的成效，對于后續(xù)氣體存儲、應(yīng)用等活動的開展提供了技術(shù)支持。

3.2 多孔氫鍵有機(jī)框架材料在光譜技術(shù)中的應(yīng)用

多孔氫鍵有機(jī)框架材料在進(jìn)行光譜技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)，技術(shù)人員利用LB技術(shù)，以二十碳酸作為輔助，對多孔氫鍵有機(jī)框架材料進(jìn)行相應(yīng)的處理，在相關(guān)技術(shù)的支持下，多孔氫鍵有機(jī)框架材料形成多層堆疊，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，使得光譜膜層逐步保護(hù)，多孔氫鍵有機(jī)框架材料作為光譜技術(shù)的中間性產(chǎn)物，其可以提升光譜膜層保護(hù)能力，并且降低光譜技術(shù)的生產(chǎn)難度，壓縮生產(chǎn)成本。

3.3 多孔氫鍵有機(jī)框架材料在質(zhì)子傳導(dǎo)中的應(yīng)用

質(zhì)子導(dǎo)體作為燃料電池的重要組成，通過多孔氫鍵有機(jī)框架材料，可以加強(qiáng)燃料電池內(nèi)部質(zhì)子交換速度，交換速度的持續(xù)性提升，實(shí)現(xiàn)了燃料電池性能的改善，提升了燃料電池的實(shí)用性，對于汽車工業(yè)的發(fā)展有著極大的推動作用。在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)節(jié)，為了更好地發(fā)揮多孔氫鍵有機(jī)框架材料的材料優(yōu)勢，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合現(xiàn)階段燃料電池的運(yùn)轉(zhuǎn)方式以及結(jié)構(gòu)組成，從技術(shù)角度出發(fā)，有針對性地調(diào)整技術(shù)思路，優(yōu)化技術(shù)手段，將多孔氫鍵有機(jī)框架材料與燃料電池的所涉及的各類材料進(jìn)行組合搭配，充分利用多孔氫鍵有機(jī)框架材料的結(jié)構(gòu)特性，提升燃料電池的性能，以確保多孔氫鍵有機(jī)框架材料，可以更好地發(fā)揮其在質(zhì)子傳導(dǎo)方面的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)燃料電池性能的穩(wěn)步提升。

4 結(jié)束語

多孔氫鍵有機(jī)框架材料的研發(fā)與應(yīng)用的階段性總結(jié)，實(shí)現(xiàn)了材料研發(fā)技術(shù)、實(shí)踐應(yīng)用方法要點(diǎn)的明確。從整體層面來看，對于多孔氫鍵有機(jī)框架材料的合成技術(shù)的升級有著較強(qiáng)的指導(dǎo)價值，推動了技術(shù)研發(fā)體系的健全與完善，對于后續(xù)多孔氫鍵有機(jī)框架材料的應(yīng)用提供了方向性引導(dǎo)，在很大程度上，促進(jìn)了多孔氫鍵有機(jī)框架材料產(chǎn)業(yè)的成熟。