金屬有機框架材料的綠色合成
張彥星1，吳一楠1,2，李風亭1,2
（1.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092；2.上海汙染控制與生態安全研究院）
識別上方二維碼或點擊文末左下角「閱讀原文」查看全文
Doi：10.11962/1006-4990.2020-0148
本文引用格式：張彥星,吳一楠,李風亭.金屬有機框架材料的綠色合成[J].無機鹽工業,2021,53(2):17-22.
金屬有機框架化合物（Metal-Organic frameworks，簡稱MOFs）是由金屬離子（或簇）與有機配體配位並經由自組裝而形成的一類多孔材料。MOFs具有極其發達的孔道結構，比表面積和孔容遠超其他多孔材料。有機/無機雜化這一特點也賦予了MOFs其他材料（例如沸石、活性炭等）所不具備的無限結構功能可調性。此外，MOFs具有移除客體分子而主體框架完好保持的持久孔道或孔穴，這使得MOFs具有超乎尋常的化學及物理穩定性。正是基於以上這些特點，MOFs在許多領域有著豐富的應用，例如催化、H2儲存、CO2捕集、藥物運輸、汙染物吸附、生物醫學成像等方面。MOFs的商業化探索成為了目前的熱點。MOFs的很多應用都與可持續發展及「綠色材料」有關，但MOFs本身的合成過程也需要考慮可持續性和環境影響。金屬有機化學所面臨的環境挑戰是獨特的，因為它將金屬離子、有機配體的危害聯繫在一起，且合成過程大多需要大量能耗。主要介紹了金屬有機框架材料的綠色可持續合成，主要分為4個方面：1）使用更安全或生物相容性的配體；2）使用更綠色、低成本的金屬源；3）綠色溶劑的開發；4）無溶劑合成法。
表1 各種金屬鹽的對比
表2 不同溶劑的對比
表3 無溶劑合成法的對比
圖1 MOFs的組裝與結構和MOFs的孔籠
圖2 可作為有機配體的生物質原料
圖3 LAG中η的定義
面對日益嚴重的環境問題和對可持續發展的需求，MOFs作為一類具有獨特理化和結構特性的多孔材料，已廣泛應用於能源和環境領域。
對於任何反應系統，為了降低成本及使反應過程更綠色，最好能不使用溶劑或使用更為可持續的溶劑。使用水或臨界水是一個良好的選擇，若考慮到配體的溶解性問題，尋找低毒性的有機溶劑也是一個可行的途徑。無溶劑合成方面，熱化學法和機械化學法是兩個比較有前景的發展領域。此外，需要考慮尋找更為綠色的金屬鹽和配體。從原子效率、成本及安全性角度考慮，金屬氧化物和氫氧化物是最好的金屬源替代品，反應的代謝產物均為水。同時要避免使用金屬氯化物、硝酸鹽和高氯酸鹽，因為均有較強的氧化性或腐蝕性，已造成安全隱患。現階段的MOFs配體大多為帶有芳香基團的石油產品，綠色改進方向主要是使用生物質原料，例如脂肪族二羧酸酯。此外，從工業及生活廢物中回收配體原料也是可持續合成的方向之一。
開放科學（資源服務）標誌識碼（OSID）
作者簡介：張彥星（1995— ），男，碩士研究生，主要研究方向為納米環境材料製備及應用。
通訊作者：李風亭（1963— ），男，教授，博士生導師，同濟大學環境科學與工程學院副院長，聯合國環境署-同濟大學可持續發展學院副院長，《無機鹽工業》雜誌第九屆編輯委員會委員。主要研究方向為水處理藥劑的研發，環境納米材料的製備及應用。
本課題組本身是一個完全國際化的跨學科的小組，從化學分子到材料研究為基礎，將基礎研究與應用技術相結合，以解決實際環境問題為導向；同時將產品與技術標準相結合，引領技術發展，為市場提供良好的綠色解決方案。最近將這一方向拓展到超支化聚合物納米吸附功能化材料，在重金屬的去處、汙水的深度處理與回用、已經水汙染應急處理方面，取得了突出的成果。自2000年以來已經主持50多項科技部、上海市、聯合國環境署、聯合國人居署、以及工業界課題，已經在國內外發表論文近300多篇，獲得中國和美國發明專利授權60多項。曾獲得上海市技術發明一等獎兩次，國家教學成果二等獎兩次，聯合國南南合作特別貢獻獎。
2004年開始負責與聯合國環境規劃署合作，主要工作包括國際環境政策研究和對於亞太地區/非洲地區/小島嶼國家環境領域官員的培訓，國內官員的培訓，可持續發展方向留學生教育工作。與環境署合作，組織國際培訓80多次，培訓的學員超過3000人次。2006年在聯合國環境署和中國科技部支持下，從事非洲水資源研究，2011年擔任聯合國環境署-中國科技部非洲水行動專家組組長。2011年與聯合國環境署和人居署合作，共同發布《非洲水資源報告》。2012年里約峰會期間，與聯合國環境署共同發布了《綠色經濟報告》中文版。2013年與聯合國環境署共同發布了《崇明國際生態島評估報告》。2015年3月在開羅非洲環境部長會議期間，發布了《中國-聯合國環境署-非洲水行動成果報告》。在科技部、環保部、商務部，以及聯合國環境規劃署、聯合國人居署的支持下，在非洲從事氣候變化與水資源研究，促進非洲國家綠色城市規劃，水資源管理官員及技術管理人員的能力建設，同時推廣新型適用性水處理技術，為發展中國家培養環境管理人才。同時在廣大非洲國家，建立了廣泛的綠色城市和水處理技術合作網絡，將綠色適用技術引進到非洲國家，並建立了示範項目。同時積極推動環境與可持續發展教育的國際化工作，在2006年與聯合國環境署推出了環境管理與可持續發展碩士項目，迄今已經培養留學生400多名，同事使得同濟環境學科國際化一直處於國內前列。點擊下方圖片跳轉查看詳情↓↓↓