太原理工大学杨江峰课题组 | 铬基金属-有机框架材料的制备及其气体吸附性能研究

铬(Ⅲ)基MOFs因其高的热稳定性和化学稳定性受到研究者的广泛关注，然而，受限于铬(Ⅲ)的高动力学惰性，传统的一步合成法往往难以得到特定拓扑结构的铬(Ⅲ)基MOF材料。金属复分解法作为一种高效的后合成方法在铬(Ⅲ)基MOFs的合成中起着重要的作用。通过利用铬(Ⅲ)金属离子将其他金属离子（Fe(Ⅲ)等）选择性置换，可以在保留材料原始框架结构的基础上，成功实现铬(Ⅲ)基MOFs的制备。

近日，太原理工大学杨江峰教授等利用金属后置换的方法成功制备了一种具有穿插结构的铬(Ⅲ)基金属有机框架材料MIL-126(Cr/Sc)（示意图）。与原始材料相比（MIL-126(Sc)），铬(Ⅲ)的引入使得材料MIL-126(Cr/Sc)在气体吸附方面展现出更加优越的性能。

示意图 MIL-126(Cr/Sc)的合成过程。

该工作从材料结构、金属交换度和气体吸附等方面系统研究了MIL-126(Cr/Sc)材料的合成过程和吸附机理。

研究结果表明，置换前后，材料的结构得到了保留（图1a），MIL-126(Cr/Sc)的孔容和孔径均与MIL-126(Sc)基本一致（图1b和1c）。从热重测试结果来看（图1e），MIL-126(Cr/Sc)展现出较高的热分解温度，这可能得益于其空间结构的穿插性。SEM和EDX的结果进一步证实了置换前后材料结构的完整性（图2）。

图1 MIL-126(Sc) 和 MIL-126(Cr/Sc) 的PXRD、N₂吸附XPS光谱和TGA表征。

图2 MIL-126(Sc) 和 MIL-126(Cr/Sc) 的SEM和EDX表征。

此外，我们测试了置换前后材料的气体吸附性能（图3），相比于原始材料（MIL-126(Sc)），MIL-126(Cr/Sc)对CO₂，N₂O和C₂H₂均展现出更高的吸附容量。在低压区，改性材料的吸附优势更加明显。

图3 MIL-126(Sc) 和 MIL-126(Cr/Sc) 的气体吸附性能。

DFT计算的结果表明（图4），材料中引入的铬(Ⅲ)对气体吸附起着重要的作用，铬(Ⅲ)与气体分子之间的强相互作用是改性材料气体吸附性能提升的主要原因。

图4 MIL-126(Sc) 和 MIL-126(Cr/Sc) 的气体吸附机理分析。

这项工作为以Sc-MOFs为前驱体制备具有特定拓扑结构的Cr-MOFs提供了一条可行的途径，为提升MOFs吸附剂的吸附性能提供了新的思路，对开拓更好性能的MOFs基吸附剂具有重要意义。

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Preparation of an interpenetrating bimetal metal–organic framework via metal metathesis used for promoting gas adsorption

Feifei Zhang, Yingying Zhang, Xiaoqing Wang, Jinping Li and Jiangfeng Yang

Inorg. Chem. Front., 2022, Advance Article

https://doi.org/10.1039/D2QI00860B

*文中图片皆来源上述文章

通讯作者简介

李晋平 教授

太原理工大学 化学工程与技术学院

李晋平，教授，博士生导师，新世纪百千万人才工程国家级人选，中国化工学会会士，享受国务院政府特殊津贴专家。现任太原理工大学党委副书记，气体能源高效清洁利用山西省重点实验室主任，山西省煤层气高效开采与利用协同创新中心主任，中国化工学会分子辨识分离工程专业委员会副主任委员。

主要从事气体能源高效清洁利用的研究：围绕煤基能源气体清洁高效利用，创制了CH₄/N₂高效分离吸附剂，研发设计了变压吸附分离装置及相关工艺；利用金属有机骨架材料独特的分子识别效应，创制了乙烷/乙烯反转分离吸附剂，研制的系列新型吸附剂实现了低碳烃分离高效分离；以绿氢规模化利用为背景，系统研究了其制-储-用关键科学问题，创制了温和条件下光电水解制氢的系列高效的析氧/析氢催化剂，提出点源限域分布式灰氢利用方案、构建风/光电制绿氢，储氢变储能，输氢变输电氢能新体系。

主持国家“863”计划项目、“973”前期研究专项、国家自然科学基金重点项目等30余项。在Science, JACS, Angew, Adv. Mater.等期刊发表学术论文400余篇；授权中国发明专利40余项。作为主要完成人获得国家技术发明二等奖1项，省部级奖励5项。获得“第九届侯德榜化工科学技术奖-创新奖”、“三晋英才”、“山西省五一劳动奖章”和“山西省高等学校中青年拔尖创新人才”等荣誉称号。

杨江峰 教授

太原理工大学 化学工程与技术学院

杨江峰，教授，博士生导师；于2006年和2012年分别获得郑州大学和太原理工大学的工学学士和工学博士学位。主要从事非常规天然气及氢气的富集与提纯；基于温室气体减排的捕集与回收；无机多孔材料制备与气体吸附分离研究开发工作。迄今为止在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等刊物发表SCI收录论文100余篇（引用超2000次），授权国家发明专利20余件；2019年获山西省自然科学一等奖（第一），2021年获中国石化联合会技术发明一等奖（第二）；入选2018年度山西省“三晋英才”青年优秀人才支持计划。

王小青 副研究员

太原理工大学 化学工程与技术学院

王小青，副研究员，硕士生导师；于2013年和2018年分别获得河南大学和太原理工大学的工学学士和工学博士学位。主要从事多孔材料制备及其在气体吸附分离方面的研究工作。主持国家自然科学基金青年项目、山西省创新项目各1项，在Chem. Eng. J., Chin. J. Chem. Eng.等刊物发表SCI收录论文20余篇，授权国家发明专利7余件；获山西省自然科学一等奖、中国化工学会基础研究成果奖二等奖、山西省高等学校科学研究优秀成果（科学技术）一等奖各1项。

第一作者简介

张飞飞 博士研究生

太原理工大学 化学工程与技术学院

张飞飞，博士研究生，主要从事金属有机框架材料结构调控与气体吸附分离等方面的研究。目前为止，发表包括Adv. Mater., ACS Appl. Mater. Inter., ACS Sustain. Chem. Eng. 等论文5篇，授权国家专利8项；获得太原理工大学博士生国家奖学金和特等学业奖学金等荣誉。

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