我校物质学院李涛教授课题组在近期的研究成果中揭示了多层壳核多孔材料生长理论。近日，该成果以“Uncovering Two Kinetic Factors in the Controlled Growth of Topologically Distinct Core-Shell Metal-Organic Frameworks”为题，于国际知名化学期刊《Chemical Science》(《化学科学》)上发表。
金属有机框架材料（metal-organic frameworks, MOFs）是一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料。由于其多变且结构高度可设计的特征，MOFs材料被广泛认为是一类最具应用前景的新型多孔材料。然而，许多具有优异气体吸附和分离性能MOFs往往面临稳定性较差的缺点，而稳定性较高的MOFs则很少展现出优异的吸附特征。如果将高稳定性的MOFs作为壳层生长于高性能的MOFs内核外形成“壳核MOFs结构”则能结合两者各自的特点，极大地拓展了MOFs的应用范围。然而由于不同MOFs材料之间存在晶胞参数不匹配和配位化学属性不匹配的情况，使得壳核MOFs的合成充满了挑战。
李涛课题组通过对四种Zr/Hf-MOFs壳层在7种具有不同晶胞参数的核层MOF上生长规律的探究，揭示了两个动力学因素：成核动力学和溶解动力学，这是克服这一挑战的关键。通过观察不同时间下改变壳层浓度得到的系列核壳的形貌变化趋势，首次发现了在异质形MOFs核壳的生长过程中，快速成核和缓慢生长是获得均匀致密MOFs壳层的决定性因素。此外，当化学不稳定的MOF材料（例如：ZIF-8）作为MOF内核时，快速生长壳层仍然会导致内核的分解破坏。此时，控制溶解动力学则成为了确保壳核MOFs形成的另一关键因素。通过对具有ZIF-8壳、Zr-MOF核的壳核MOF生长过程中溶解速率的控制，可以获得空心壳、蛋黄壳和核壳这几类不同形貌的MOFs复合材料。该研究进一步利用Zr-MOF壳层孔道高度可调节的特征，制备了一系列具有不同尺寸筛分效果的MOF-金属纳米颗粒复合催化剂用于精确的尺寸筛分硝基氢化还原。该成果为构建复杂结构的MOFs复合材料的制备提供了宝贵的理论和实验指导。
该课题的研究工作全部在上海科技大学完成。李涛课题组2018级博士研究生王芳为第一作者，李涛教授为通讯作者，上科大为第一完成单位。该项目还得到了上科大启动基金以及国家自然科学基金青年科学基金等项目支持。
文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/sc/c9sc02576f#!divAbstract
图1：两个动力学因素影响核壳MOFs生长的示意图
图2：核壳MOF：MIL-101(Cr)@UiO-66在不同阶段的生长状态
图3：空心壳（上）、蛋黄壳（中）和核壳（下）金属有机框架材料的制备