多孔材料應用方興未艾—有機無機框架材料新契機

 

刊登日期:2017/1/5
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多孔性材料於吸附、過濾、分離、濃縮、催化、隔熱、釋藥等都有非常廣泛的功能應用。由傳統的沸石與分子篩到中孔洞氧化矽與中空纖維等奈米材料,到最近沸沸揚揚的有機無機框架材料,科學家對於孔隙材的結構操控與應用設計可說漫無止境。

2016年在美國加州舉辦的金屬有機框架( MOFs )盛會上,展現了最新材料的設計趨勢、應用領域、商業化製程可能性及概念商品之開發。本文剖析最新材料的進展與國際知名團隊的研發策略方向,並就材料的可製造性與實際應用情境來舉例介紹,希望藉此也讓讀者得以借鏡這些新創公司如何憑藉其關鍵競爭優勢,從材料到新創的心路歷程。
 
大規模MOF量產製程
MOF 材料因其高比表面積、孔洞尺寸可調變與物化性可操控特性,可應用於吸附材、觸媒、質子交換膜或其它應用領域,成為近年熱門的研究標的之一。如何在減量使用,甚至不使用有機溶劑的條件下進行大量且高品質的 MOF 材料生產,為現階段 MOF材料量產合成主要關鍵。
 
MOF Technologies 技術團隊發表了雙螺旋材料合成系統,其專利技術為使用機械攪拌方式在少量溶劑或無溶劑使用下( Solvent-free )進行大量且連續的 MOF 粉體合成,抑或是再與擠出成型體設備做一串聯(圖二)。經由特定製程參數控制,該公司宣稱,此系統可省略一般 MOF 合成製程之後端清洗活化流程,亦即 TSE 可直接製備已活化之商品料 MOF。
 
MOF WORX 公司使用流動式合成法(圖五),由實驗室級 10 mL反應器逐步擴大到 1.394 L 反應器,進行 MOF 粉體的大規模量產,在不同反應溫度、流速控制下,每日產量最高可達 80,000 kg·m-3,可供應的 MOF 粉體系統包含 HKUST-1、UiO-66與 NOTT-400等。


圖五、MOF WORX以流動式反應器進行MOF量產之結構示意圖
圖五、MOF WORX以流動式反應器進行MOF量產之結構示意圖

 
導尿管抗菌披覆材與抗菌敷材
一氧化氮為體內重要的信號分子,可影響各種生理功能,包含免疫、傷口癒合、可降血壓、改善血液迴圈、增加血管彈性及防止血栓的形成等(圖七)。著眼於此,聖安得魯斯大學( Universityof St Andrews )預定於2016年底新創之公司—MOFgen其開發與鎖定的市場為泌尿導管之抗菌披覆膜,其乃以浸塗法(Dip Coating)於導管外塗布均勻之 MOF 與 PU 複合薄膜(圖八),再於此複合薄膜裝載一氧化氮( NO ),達到抗菌、細胞增生、加速傷口癒合等療效。



八、CPO-27結構活化、負載與釋放一氧化氮之流程示意圖
圖八、CPO-27結構活化、負載與釋放一氧化氮之流程示意圖,以及其依照不同固含量製膜與負載一氧化氮後之顏色變化

 
在市場策略上,MOFgen 將鎖定健康照護醫材市場,藉由 MOF 的導入,創造高值化、提供更優質醫療策略的產品;目前MOFgen正積極和全球的創傷治療中心與醫療設備製造商合作結盟,共同開發與導入多功能性的 MOF抗菌複材。
 
電子級毒性氣體儲存鋼瓶
獲選為C&E十大值得關注的新創公司之一,以及無數新創大獎的 NuMat Technologies,將其市場鎖定在高價值的電子級氣體儲存與運輸上。相較於前幾年的研究均致力將商品化的 MOF 應用於甲烷儲存、二氧化碳捕捉與氫能儲存領域,NuMat 的營運方針與目標,現階段設定在半導體業的電子級毒性氣體(AsH3、PH3 與 BF3等)的整體解決方案上,亦即包含提純(高純度電子級氣體)、儲存及運輸上。針對特定的…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:張芳卿、鄭信民 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」361期,更多資料請見下方附檔。


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