多孔材料明日之星—金屬有機框架(MOF)材料

 

刊登日期:2013/12/20
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什麼是MOF?
MOF屬於配位高分子(Coordination Polymers)的一支,由金屬離子(如鋁、鎳、鋅等)與配位基自組裝而成。此材料的研究已歷經數十年,不過大多限於學術基礎研究。直到1999年,Yaghi教授利用鋅離子與1,4-苯二羧酸(1,4-benzenedicarboxylic Acid,H2BDC)合成相當穩定的多孔MOF-5材料,才逐漸受到重視。MOF材料是結合配位化學(Coordination Chemistry)與超分子(Supramolecules)的產物。


圖二、MOF合成反應示意圖


圖三、典型的MOF配位基結構

MOF多孔材料特性
MOF材料另一吸引人的特性是孔隙度、孔徑大小及官能基等都可經由分子設計來調控。以HKUST-1[Cu3(BTC)2]為例,此MOF 由[Cu2 (CO2 ) 4 ] 建構區塊及BTC(1,3,5-benzenetriscarboxylate)組成。以TATB(4,4′,4″-(1,3,5-triazine-2,4,6-triyl)tribenzoic Acid)取代BTC所合成的PCN-6’,孔徑可增加約5.5倍。若以BBC取代BTC形成的MOF-399,孔徑可增加約17倍。MOF-399是目前具有最高孔隙度(94%)與最低密度(0.126 g/cm3)的MOF材料。

MOF材料應用發展現況
1. 氣體儲存與純化
MOF的超高表面積可以像海綿一樣吸收大量的氣體,要增加氣體儲存量,除了提高表面積之外,也可以增加氣體與MOF的作用力。因此,儲存氣體的MOF結構設計需要高比表面積,同時孔洞大小需有利於氣體與MOF的作用力。由理論計算儲存氫氣的最佳孔洞尺寸為0.7 nm,而甲烷為1.2 nm。美國能源部(DOE)設定氫氣儲存的目標,在2017年氫氣儲存系統須達到5.5 wt%及0.04 kg/L(-40~60˚C)。DOE對於甲烷吸附的目標為大於12 MJ/L(314.2v甲烷(STP)/v吸附材)及大於0.5g甲烷/g吸附材(700 cm3甲烷(STP)/g吸附材)。目前氫氣儲存最高的MOF材料是NU-100,於56 bar及77 K下的儲存量為9.95 wt%。而甲烷儲存性能最好的MOF為PCN-14,於35 bar及25˚C下的儲存量為0.253g甲烷/g吸附材。

2. 觸媒應用
中孔洞材料如MCMs及SBAs有較大的孔徑,但是缺乏結晶性與活性。MOF的超高表面積、可調控的孔徑及高活性區(Active Site)密度等特性,有利於觸媒的應用。尤其在精密化學合成方面,可以彌補沸石與中孔洞材料之不足。目前研發的方向包括①以MOF組成中的金屬做為……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文

作者:吳仁傑 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌324期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=11533


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