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如何让多孔固体在液态和玻璃态下保持其特性

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标签: MOF模拟
【概要】由于其特殊的孔隙度,多孔固体通常能够捕获以及运输分子,金属-有机骨架(MOFs)具有粉末的形状,这使得它们难以结构化。科学家们首次证实了该类型的MOF在液态和玻璃态下具有保持其多孔性能的奇异特性,该项研究结果为新工业的应用拓宽了前景。
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【图注】ZIF-4材料在室温下的结晶结构。



由巴黎研究机构(CNRS / Chimie ParisTech)科学家率领的国际团队,这是一个主要研究液化空气的国际团队,首次证实了一种MOF在液体以及玻璃体中具有保持多孔性能的惊人特性。

金属有机骨架(MOF)是一种极具前景的材料,其特殊的孔隙率使得它可以储存和分离大量的气体,或者作为化学反应的催化剂。然而,它们的结晶结构意味着它们只能以粉末形式生产,难以存储和在工业上应用。CNRS、Chimie PecarisTh、剑桥大学、液化空气研究团队、ISIS(英国)以及Argonne(美国)同步加速器的科学家团队首次表明,沸石MOF的性质出人意料地隐藏于液相之中(这通常对孔隙度不利)。然而,在冷却和固化之后,由该材料所获得玻璃态的孔隙度也保持着相同性质的无序非结晶结构,这使其比粉末形式能更有效地形成和应用。

为了达到这个目的,科学家们就使用中子衍射和X射线,来观察进入液相并熔融后的MOF结构。它们将这些数据与分子模拟联系起来,分子模拟过程中重现了MOF的熔融温度条件。这两种方法的组合使得它们能够描述当材料进入液相然后再固化时的结构变化对材料的影响。因此,他们成功地展示了一个普通的机制,正在研究的MOF可由金字塔形分子框架组成,每个分子框架由被四个循环的咪唑盐有机分子包围的锌原子所组成。在熔化时,由温度升高所产生的能量能够分解咪唑酸盐和锌之间的连接,从而破坏金字塔框架。然后所产生的空间被另一个由相邻框架释放的咪唑化物循环所占据,以重建原始结构。复杂结构之间的这些分子交换可使得MOF具有液体特性。

在这种特定的MOF情况下,孔隙度是由被气体填充的金字塔结构之间有间隙存在所引起的。由于MOF能在液态保持相同的锥体结构,因此能够保持其孔隙度。除了发现MOF在熔融后能够保留其性能,本研究还描述了多孔液体的研究特征,这在目前的研究中是极为少见的。

文献链接:When a porous solid retains its properties in liquid form


LoswimM

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