摘 要：為吸附、催化等應(yīng)用構(gòu)建一種理想且高效的納米復(fù)合材料，一直都是一個(gè)挑戰(zhàn)?；诜肿佑袡C(jī)框架（MOF）的層級(jí)復(fù)合材料作為一種先進(jìn)的吸附劑和催化劑已受到歡迎。分層結(jié)構(gòu)的MOF材料可以被調(diào)節(jié)，以允許MOF與感興趣的分子的表面相互作用（外部或內(nèi)部）。它們具有可調(diào)功能、高孔隙率、增加的傳質(zhì)表面積和納米結(jié)構(gòu)的力學(xué)穩(wěn)定性。此外，預(yù)期的納米復(fù)合材料的優(yōu)化只能通過(guò)對(duì)合成技術(shù)的全面了解才能獲得。首先簡(jiǎn)要介紹了MOF，并介紹在傳統(tǒng)MOF結(jié)構(gòu)面臨的挫折后對(duì)先進(jìn)納米復(fù)合材料的要求，進(jìn)一步討論了MOF基分層復(fù)合材料的化學(xué)處理和熱處理的背景。

關(guān) 鍵 詞：金屬有機(jī)框架；分層復(fù)合材料；光催化；水處理

中圖分類號(hào)：TQ050.4+3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A  文章編號(hào)： 1004-0935（2024）09-1411-04

鹵化無(wú)機(jī)污染物和多環(huán)有機(jī)污染物的工業(yè)垃圾場(chǎng)已經(jīng)使地球的生態(tài)環(huán)境和人類健康面臨風(fēng)險(xiǎn)^[1]。盡管地球上71%是水，但可用水的比例非常低（3 %），不幸的是2.5%被埋在冰川中^[2]。由于具有選擇性和可逆性的優(yōu)點(diǎn)，吸附法是一種很有前途的水處理技術(shù)。常見(jiàn)的無(wú)機(jī)和有機(jī)污染物通過(guò)不同的主客體相互作用（靜電、π-π、配位相互作用、氫鍵和范德華力）吸附在吸附劑表面^[3-4]。多孔結(jié)構(gòu)吸附劑包括金屬氧化物、碳基材料、沸石、天然礦物和金屬有機(jī)框架（MOFs）。MOFs由于其潛在優(yōu)勢(shì)取得了進(jìn)展，如高比異性區(qū)域、豐富的結(jié)合位點(diǎn)、可控孔徑、可回收性等特點(diǎn)^[5-6]。

MOF的多孔系統(tǒng)通過(guò)有機(jī)配體吸收光子，幫助電子獲得遷移到金屬中心^[7]。由于有機(jī)配體和金屬都能吸收光子，電子的躍遷機(jī)制可以是配體到金屬的電荷轉(zhuǎn)移（LMCT）或金屬到配體的電荷轉(zhuǎn)移（MLCT）^[8]。事實(shí)上，MOFs的特性可以調(diào)諧，以實(shí)現(xiàn)光子捕獲、增加表面積、更長(zhǎng)的激子壽命和可調(diào)孔隙率^[9]。MOF的剛性晶體結(jié)構(gòu)是通過(guò)金屬前驅(qū)體和形成MOF單位單元的有機(jī)連接體之間的強(qiáng)配位鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于MOF是通過(guò)連接各種金屬團(tuán)簇和有機(jī)連接劑而制造的，因此合成的結(jié)構(gòu)組合的數(shù)量是巨大的。近幾十年來(lái)，基于MOF的光催化劑通過(guò)產(chǎn)生活性自由基來(lái)緩解水凈化過(guò)程的可行性得到了認(rèn)可，分層復(fù)合材料的概念受到自然的啟發(fā)，因?yàn)樯锊牧系倪m應(yīng)性和強(qiáng)度，不能通過(guò)人工材料獲得^[10]。這一概念促使研究人員設(shè)計(jì)具有可控孔隙度和體系結(jié)構(gòu)的MOFs分層系統(tǒng)。即使體系的晶格不匹配，但在一個(gè)集成的系統(tǒng)中多孔隙的存在往往協(xié)調(diào)工作以執(zhí)行多功能。類似于已建立的結(jié)構(gòu)，分層MOFs的晶格主要由按特定順序定位的建筑單元組成，這使材料中具有多個(gè)層次的多孔隙度去除模板后，所合成的MOF結(jié)構(gòu)可以靶向所需的污染物或分子?？傊@些方法體現(xiàn)分層MOF材料的能力，同時(shí)轉(zhuǎn)移優(yōu)越的性能，如精度水平和多尺度應(yīng)用的缺陷。

1 MOF衍生的分級(jí)光催化劑的合成策略

MOFs骨架的物理和化學(xué)修飾可以通過(guò)合適的連接劑和金屬離子來(lái)控制。這些制造方法是構(gòu)建不同范圍的光催化劑類型的主要方法和最重要的必要條件?；贛OFs的分層光催化劑的有效制備技術(shù)對(duì)于識(shí)別預(yù)期的結(jié)果是至關(guān)重要的?，F(xiàn)有的和廣泛使用的MOFs合成路線包括微波輔助、水熱/溶劑熱、電/機(jī)械化學(xué)和聲化學(xué)方法^[11]。例如，通過(guò)微波輔助技術(shù)成功合成了一種分層多孔結(jié)構(gòu)摻雜鋅的Ni-MOF，其中采用鹽酸監(jiān)測(cè)MOFs的生長(zhǎng)和成核，減少團(tuán)聚^[12]。該技術(shù)使安全、快速、廉價(jià)和可控的合成來(lái)制造具有獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)和高收率的催化劑。此外，采用鹽基機(jī)械化學(xué)方法，可以簡(jiǎn)單地單鍋方法構(gòu)建分層多孔HKUST-1 MOFs。在此，采用氯化鉀或氯化鈉等固體溶劑，最初與1，3，5-苯三羧酸進(jìn)行機(jī)械化學(xué)反應(yīng)，然后合成分層中孔/大孔HKUST-1。介紹了構(gòu)建MOFs的光催化劑的可能合成方法和途徑。

1.1 熱處理

MOF模板是在高溫度環(huán)境下獲得的熱處理技術(shù)。雖然通過(guò)熱處理可以實(shí)現(xiàn)不同的基于MOF的層次結(jié)構(gòu)，但納米顆粒的團(tuán)聚和MOF骨架的坍塌可能會(huì)阻礙最終產(chǎn)物的形態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，熱處理可以分為不同的類型，即惰性氣體下的熱處理、熱分解（煅燒）方法、還原氣氛下的熱處理（氨和硫化氫）。隨后，經(jīng)過(guò)熱處理后，MOFs衍生的分級(jí)光催化劑可以有效地保持MOFs模板的多孔特性和表面積，并獲得所需的功能^[13]。

1.1.1 惰性氣體下的熱處理

為了在MOFs骨架中實(shí)現(xiàn)理想的轉(zhuǎn)化，特別是在分子水平、形態(tài)和物理化學(xué)變化上，在惰性環(huán)境（N、Ar等）下選擇熱解技術(shù)。還有不同的溫度范圍，采用4-乙烯基吡啶（聚乙二醇）和4-乙烯基吡啶的結(jié)構(gòu)，制備過(guò)渡金屬磷酸物雜化成一種類似聚合物蠕蟲的膠束（PW）。與現(xiàn)有的報(bào)道不同的是，具有互聯(lián)聚（乙烯乙二醇）鏈的核殼骨架（殼內(nèi)）允許構(gòu)建一個(gè)明確的MOF納米層，并在4-乙烯基吡啶表面外進(jìn)行交聯(lián)包裹^[14]。隨后，進(jìn)一步的鋅基團(tuán)的熱解、氧化、磷化和蝕刻導(dǎo)致混合PW轉(zhuǎn)化為分層多孔CoP/N摻雜納米管碳體系，其中豐富的5 nm的CoP納米晶體分散在碳鏈上。

將Fe/Zn-MIL-88B在Ar流下熱解得到了納米雜化物，并在500～900 ℃條件下改變碳化溫度，優(yōu)化了其納米結(jié)構(gòu)。這種納米雜化具有分層多孔結(jié)構(gòu)，對(duì)氯四環(huán)素（CTC）在廢水（1 158.0 mg·L^-1）中表現(xiàn)出良好的吸附特性^[15]。通過(guò)不同溫度下的碳化獲得了典型的分層ZIFs-8-MOFs，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)分層多孔碳框架（HCFs），對(duì)甲苯有較大吸附能力。此外，HCFs具有選擇性吸附光活性、低解吸溫度、對(duì)甲苯的敏感性和可重用性等優(yōu)點(diǎn)。初步探討ZIFs-8在甲苯吸附過(guò)程中的活性-結(jié)構(gòu)關(guān)系和物理特性^[16]。在熱解現(xiàn)象中，ZIFs-8的咪唑物種轉(zhuǎn)化為含有石墨-N、吡咯-N和吡啶-N的HCFs骨架，ZIFs-8的Zn原子在N氣氛下蒸發(fā)，N氣氛下碳化溫度大于其沸點(diǎn)為908 ℃，增加了孔數(shù)和介孔的產(chǎn)生。

1.1.2 在還原性氣氛中進(jìn)行的熱處理

在MOF的熱反應(yīng)現(xiàn)象下，在含有氨、硫化氫等的還原氣氛中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。氣體生成一個(gè)特定的基于MOFs的分層復(fù)合材料。在相關(guān)報(bào)道中，ZIFs-8多面體納米晶體（40～50 nm尺寸）的熱解過(guò)程和氨隨溫度升高的活化產(chǎn)生介孔結(jié)構(gòu)氮衍生的分層多孔碳^[17]。由二甲基咪唑連接劑和Zn金屬離子組成的ZIFs-8在N流速為900 ℃下進(jìn)一步碳化60min。此外，富含C成分的咪唑連接子提供良好的碳骨架，并維持一個(gè)N分布不變的完整碳基質(zhì)（NPC-900）。該NPC-900催化劑在氨流下進(jìn)一步暴露于另一種退火處理中，以獲得高孔隙率，并且對(duì)N基團(tuán)有影響。特別是對(duì)于作為催化劑的含氮的碳化合物，N基團(tuán)的高分布、高結(jié)構(gòu)性和超高表面積是影響催化劑穩(wěn)定性和活性的重要參數(shù)?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，ZIFs-8被認(rèn)為是理想的碳化材料。例如，在600～1 100 ℃溫度范圍的氨氣氛下，通過(guò)將nisvtfzLUwqg4sstol+p0J+ICZyNE81kmQOa+huobwA=ZIFs- 8碳化制備了N-負(fù)載碳催化劑，乙烯基氯的選擇性和乙炔的轉(zhuǎn)化率分別為100%和92%。

1.2 熱分解策略

與直接熱解相比，固體混合物和二次建筑單元的煅燒，形成具有不同成分的復(fù)合材料，具有中空的框架和多用途特征。在高煅燒溫度下，熔化擴(kuò)散發(fā)生，將MOFs和必要的試劑轉(zhuǎn)化為理想的產(chǎn)物。通過(guò)多支架混合生長(zhǎng)技術(shù)構(gòu)建MOFs/LDH/GO模板，并在不同溫度下進(jìn)一步煅燒，制備摻鐵分層MOFs與水滑石（LDH）和氧化石墨烯（GO）（Ce-Fe-MOFs/LDH/GO）復(fù)合材料的分層MOFs^[18]。在此，為了維持Ce-Fe-MOFs和MOFs與GO之間的連接，從而在氧化石墨烯納米片和MOFs水滑石衍生物的熱解過(guò)程中繞過(guò)分離。氧氣的存在過(guò)渡金屬氧化物表面的空位富集氧化鈰有效地提高催化劑的整體穩(wěn)定性。Ce-Fe-MOFs/LDH/氧化石墨烯表現(xiàn)出二維多孔框架，而大部分MOFs衍生物附著在氧化石墨烯納米片上。同時(shí)，氧化石墨烯納米薄片被簡(jiǎn)單地從催化劑的內(nèi)部覆蓋范圍中識(shí)別出來(lái)，這表明MOFs與氧化石墨烯薄片的有效結(jié)合。值得注意的是，衍生物的高孔隙率是由于熱解過(guò)程中MOFs的收縮。在另一項(xiàng)研究中，由分級(jí)ZIF-8衍生的氧化鋅納米顆粒構(gòu)建的3D ZnO/Ag襯底，這是在表面自組裝Ag納米顆粒的結(jié)果，通過(guò)低成本和簡(jiǎn)單的方法幫助檢測(cè)不同的環(huán)境流出物。該ZIF-8框架在550 ℃下煅燒4h后，被部分分解成分層的3D多孔骨架，有助于產(chǎn)生更多的熱點(diǎn)，并吸收高可及性的分子。

2 MOF基分層復(fù)合材料在水處理中的應(yīng)用

2.1 吸附作用

考慮到文獻(xiàn)報(bào)道的吸附，由于其操作成本低、毒性可忽略不計(jì)和可回收性，是開(kāi)創(chuàng)性的技術(shù)之一。討論傳統(tǒng)吸附劑如活性炭、沸石、聚合樹(shù)脂等^[19]。MOF基納米復(fù)合材料的出現(xiàn)成了最近的研究熱點(diǎn)。與未處理水接觸的MOFs有大表面積、孔徑和豐富的活性位點(diǎn)，往往形成一層溶質(zhì)分子，降低水中污染物的濃度。污染物與吸附劑之間吸附主要是通過(guò)靜電相互作用、氫鍵和π-π和/或陽(yáng)離子-πEDA相互作用發(fā)生的^[20]。

摻雜磁性納米復(fù)合材料和CTC的羥基、羧基和吡咯基之間主要形成氫鍵。此外，CTC的芳香環(huán)與Zn/Fe-MIL-88B中的石墨碳表達(dá)π-π電子供體受體（EDA）的相互作用。這些相互作用受到溶液的pH的顯著影響。吸附能力略有下降，導(dǎo)致CTCH與2種Fe金屬之間的陽(yáng)離子-πEDA相互作用減弱^[21]。此外，在中性pH下，CTCH- /CTC2-產(chǎn)生負(fù)電荷，納米復(fù)合材料的靜電力增加。通過(guò)測(cè)量zeta電位值來(lái)研究這些表面電荷。具有分層結(jié)構(gòu)的材料促進(jìn)離子的擴(kuò)散，這可以歸因于較短的擴(kuò)散距離，有助于實(shí)現(xiàn)離子的可及性，促進(jìn)重金屬離子的錨定。在設(shè)計(jì)一個(gè)級(jí)的分層結(jié)構(gòu)時(shí)，選擇一個(gè)合適的“模板”是至關(guān)重要的，以確保令人滿意的重金屬離子去除。

2.2光催化作用

基于MOFs的分層光催化劑及其復(fù)合材料在催化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用，特別是與能源相關(guān)的應(yīng)用，如電催化、熱催化作用和光催化。在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，可以破壞的晶體特性，基于分層MOFs的光催化劑具有高孔隙率、良好的電導(dǎo)率、集光的能力和更好的穩(wěn)定性。以ZIF-8為前驅(qū)體（犧牲模板）構(gòu)建的N摻雜氧化鋅碳框架，通過(guò)300～550 ℃煅燒進(jìn)一步覆蓋分層BiMoO納米片，生成核殼N摻雜ZnO/C@BiMoO復(fù)合材料。隨后，N摻雜ZnO/碳表面的扭曲需要位置，產(chǎn)生褶皺和淡黃色的氧化鋅納米晶體^[22]。在溶劑熱條件下， BiMoO納米片生長(zhǎng)在N摻雜ZnO/碳表面，形成一個(gè)均勻的層次球形核殼骨架。為了進(jìn)一步驗(yàn)證TEM和HR-TEM描述，確認(rèn)N摻雜ZnO/碳為核心和層狀BiMoO殼，（101）和（131）晶格間距分別為0.246 nm和0.315 nm。此外，Bi、Mo、Zn、O、N、C的均勻分布證實(shí)BiMoO在N-ZnO/碳表面的原位生長(zhǎng)。苯環(huán)區(qū)域的富電子原子（O21、N17、N8、C6、C46和C2），主要由SMX HOMO水平組成。然而，HOMO不能說(shuō)明哪些原子會(huì)顯示自由基、親電性和親核反應(yīng)，而Fukui指數(shù)探索動(dòng)態(tài)成分對(duì)SMX的區(qū)域選擇性。通過(guò)氧化產(chǎn)物、鍵級(jí)和Fukui指數(shù)提出降解SMX的不同途徑（0.22 min^-1偽一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)）^[23]。

在另一項(xiàng)研究中，進(jìn)一步評(píng)估在溶劑熱條件下設(shè)計(jì)的分層雙功能（12.5%）MIL-88A/ZnInS4復(fù)合材料，進(jìn)一步評(píng)估了SMX光降解（60 min內(nèi)99.6%）和Cr（VI）還原（9 min內(nèi)接近100%）。在MIL- 88A/ZnInS4復(fù)合材料上SMX降解和Cr（VI）轉(zhuǎn)換的可能機(jī)制中，完整的接觸和良好匹配的能級(jí)分別提高M(jìn)IL-88A和ZnInS4的導(dǎo)帶（CB）和價(jià)帶（VB）的刺激^[24]。然后，吸附的O捕獲電子產(chǎn)生O^-，促進(jìn)Cr（VI）向Cr（Ⅲ）的轉(zhuǎn)化率。

因此，目前的混合復(fù)合材料不僅擴(kuò)展其突出的穩(wěn)定性，而且具有強(qiáng)可回收性、低消耗量和在太陽(yáng)能光區(qū)域的廣泛適用性的優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié) 論

對(duì)不同應(yīng)用的納米結(jié)構(gòu)分層材料的需求增加，激發(fā)分層多孔MOFs的研究興趣。使用不同的制備方法，主要為熱處理方法，廣泛努力創(chuàng)建具有固有孔隙率的基于MOFs的分層光催化劑。對(duì)分層多孔MOFs復(fù)合材料進(jìn)行相關(guān)研究，以便能夠準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)孔隙環(huán)境和尺寸，實(shí)現(xiàn)更好應(yīng)用。此外，還強(qiáng)調(diào)多級(jí)光催化和吸附的比較特性和潛在的多功能應(yīng)用，表明多級(jí)納米結(jié)構(gòu)在支持存儲(chǔ)和擴(kuò)散現(xiàn)象方面具有重要作用。對(duì)層次結(jié)構(gòu)的精確監(jiān)控仍然是探索各種應(yīng)用程序的MOFs的前提。盡管近年來(lái)取得了巨大的進(jìn)展，但基于分層MOFs的復(fù)合材料仍處于起步階段。然而，通過(guò)控制合成參數(shù)，可以進(jìn)一步控制熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、孔隙率和層次結(jié)構(gòu)。未來(lái)的研究仍然面臨以下挑戰(zhàn)：

1）MOFs在水中的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性仍需探索。這些穩(wěn)定性參數(shù)受到孔隙尺寸擴(kuò)展的影響。具體來(lái)說(shuō)，在混合金屬M(fèi)OFs的情況下，在微孔MOFs中形成固有的介孔，降低熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。下降的原因可能是結(jié)構(gòu)中存在更多的金屬中心，其中形成的缺陷是不穩(wěn)定的。然而，在高價(jià)UIO-66 MOFs納米結(jié)構(gòu)的情況下，分層孔隙和缺陷的存在使其在水中的化學(xué)和熱穩(wěn)定性的影響很小。

2）目前，關(guān)于基于MOFs的分層復(fù)合材料的大規(guī)模合成的報(bào)道很少，研究人員仍在探索工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須檢查分層多孔MOFs（通常是脆性）的可處理性。應(yīng)該通過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)技術(shù)更深入地澄清構(gòu)效關(guān)系，指導(dǎo)基于MOFs的分層復(fù)合材料的研發(fā)。

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Research Progress of Layered Composites Based on

Metal-Organic Framework （MOF）

SHI Zengwang， LIU Zhongmou， ZHANG Pan

（Jilin Jianzhu University，Changchun Jilin 130118，China）

Abstract：It is always a challenge to construct an ideal and efficient nanocomposite for adsorption， catalysis and other applications. Molecular organic framework （MOF）-based hierarchical composite has perceived popularity as an advanced adsorbent and catalyst. Hierarchically structured MOF material can be modulated to allow the surface interaction （external or internal） of MOF with the molecules of interest. They are well endowed with tunable functionality， high porosity， and increased surface area epitomizing mass transfer and mechanical stability of the fabricated nanostructure. Additionally， the anticipated optimization of nanocomposite can only be acquired by a thorough understanding of the synthesis techniques. This review starts with a brief introduction to MOF and the requirement for advanced nanocomposites after the setback faced by conventional MOF structures. Firstly， MOF was briefly introduced， and the requirements for advanced nanocomposites after the setbacks faced by the traditional MOF structure were introduced， and the background of chemical treatment and heat treatment of MOF-based layered composites was further discussed.

Key words：Metal-organic frameworks; Hierarchical composites; Photocatalysis; Water treatment