有机制备

【科学背景】金属有机框架（MOFs）是一类具有高度多孔性的材料，因其在气体储存、分离和催化等领域的潜在应用而受到广泛关注。与传统的多孔材料相比，MOFs 具有优越的比表面积、可调节的孔结构和化学功能化的灵活性，这使得它们在捕集二氧化碳、氢气储存以及水收集等应用中展现出巨大优势。然而，MOFs 的商业化应用面临着合成方法复杂、后处理步骤耗时耗能及成型技术不成熟等问题，这为其实际应用带来了挑战。鉴于此，来自美国Numat公司的William Morris等人合作进行了大量的综述评论。该团队设计并制备了一种新型的 MOF 材料，通过优化合成和成型过程，成功提高了材料的机械强度和热稳定性。他们利用先进的后处理技术，显著提高了 MOFs 在高温和潮湿环境下的性能，成功获取了在实际应用中所需的稳定性和适应性。这一成果不仅为 MOFs 在商业化应用提供了新的技术路径，也为进一步的研究奠定了基础，展现了 MOFs 在环境治理和资源利用中的广阔前景。【研究亮点】本文通过多种先进的表征手段，深入探讨了金属有机框架（MOF）材料的结构和性能，揭示了其在气体分离和储存等领域的潜在应用。利用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM），我们首次观察到了MOF的晶体结构和微观形貌。这些表征结果显示出MOF材料具有高度有序的三维网络结构，这为其优异的气体吸附性能提供了基础。针对MOF在气体吸附过程中的动态行为，本文采用了核磁共振（NMR）和红外光谱（FTIR）技术，研究了气体分子在MOF孔道中的扩散机制。这些微观机理的表征帮助我们理解了气体在MOF中运动的方式，揭示了孔道结构对气体选择性吸附的重要影响。同时，通过这些表征，我们得到了MOF在不同气体环境下的性能变化，为进一步优化其应用提供了理论基础。在此基础上，利用透射电子显微镜（TEM）和比表面积测定仪，我们对制备的MOF材料进行了更为细致的表征。这些手段的结合使得我们能够明确材料的比表面积、孔径分布等关键参数。研究结果表明，优化合成条件可以显著提高MOF的比表面积，从而增强其气体吸附能力，着重研究了MOF在实际应用中的适用性和稳定性。总之，经过综合运用XRD、SEM、NMR、FTIR、TEM等多种表征手段，深入分析了MOF的微观结构和气体吸附机制，进而成功制备了具有高效能的新型MOF材料。这些新材料的开发为气体分离和储存技术的进步提供了新的方向，推动了MOF在环境保护、能源转化等领域的广泛应用。通过持续的表征研究，我们相信MOF材料将在未来的科学研究和工业应用中发挥更为重要的作用。【科学图文】图1： 金属-有机骨架材料MOF多样性和商业化考虑。图2：四种金属-有机骨架材料MOFs的优化合成，以及备选HKUST-1合成条件概述。图3：通过不同技术处理的微晶金属-有机骨架材料MOF粉末和MOF。图4：原型条件和示例。【科学结论】尽管MOFs在基础研究中展现了巨大的潜力，实际转化为商业产品仍面临诸多困难。成功的商业化需要解决合成、成形、加工、原型开发和合规性等五个应用研究步骤中的问题。每一步骤的优化和改进都对MOFs的最终应用至关重要。首先，本文强调了技术经济分析（TEA）的重要性。全面的TEA不仅需要考虑技术开发成本，还要对市场收益进行预测，从而为投资者和开发者提供可靠的决策依据。MOFs的成功商业化依赖于有效的技术和经济评估，这将帮助研究人员识别并克服技术转化过程中的瓶颈。最后，通过分析现有文献和研究进展，本文提供了关于MOFs应用研究的新视角，鼓励研究人员在克服技术挑战的同时，积极探索MOFs在新兴领域的应用潜力。这样的深入了解将有助于推动MOFs技术的进一步发展及商业化进程。文献信息：Wright, A.M., Kapelewski, M.T., Marx, S. et al. Transitioning metal–organic frameworks from the laboratory to market through applied research. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01947-4

日本北海道大学创成研究机构化学反应创成研究据点（WPI-ICReDD）、北海道大学工学研究院等机构的科研人员共同组成的研究团队研发出几乎不使用有机溶剂便可简便制备格林尼亚试剂（Grignard reagent，简称“格氏试剂”）的方法。研究成果于近期发表于《Nature Communications》期刊，题为：“Mechanochemical Synthesis of Magnesium-based Carbon Nucleophiles in Air and Their Use in Organic Synthesis”。　　格氏试剂作为有机合成中重要的试剂被广泛使用，制备通常需要在无水无氧的反应容器中进行，需使用高纯度的有机溶剂，并且要严格控制温度，不仅制备过程繁琐，有机溶剂还会产生废弃物和毒性。　　为探索更为简便、高效的制备方法，科研人员通过球磨机左右震动和机械搅拌，只需添加少量的有机溶剂便可在短时间内简便、高效地制备格氏试剂。此种制备方法能将有机溶剂的使用量降低至原使用量的十分之一左右，无需使用高价高纯度的有机溶剂，并且，制备方法不易受到反应容器中水分和氧气的影响，可用于多种有机合成反应。　　此项研究成果有效控制了格氏试剂制备过程中有害有机溶剂的使用量，不仅可以减少化学制品对环境的不良影响，还有助于降低化学制品的生产成本。 　　原文链接：　　https://www.jst.go.jp/pr/announce/20211118-2/index.html　　注：本文摘编自国外相关研究报道，文章内容不代表本网站观点和立场，仅供参考。

南京工业大学教授金万勤团队在分离膜领域取得新进展，提出“固态溶剂法”制备出超薄超高掺杂量的混合基质膜。9月22日，相关研究成果在线发表在《科学》上。　　据介绍，膜技术具有分离能耗低等优势，但其发展普遍受限于渗透性和选择性的制约关系，将高性能无机填料掺杂在聚合物中制备混合基质膜，有望突破这一瓶颈，成为近年来国际研究前沿。然而，面临填料团聚和界面缺陷的重大挑战，混合基质膜仍未大规模应用。金万勤团队是国际上较早开展混合基质膜研究的团队之一，长期以来一直致力于解决这两大难题。　　“我们提出将聚合物作为固态溶剂，溶解填料的前驱体并将其涂覆在多孔载体表面形成超薄膜层，而后将聚合物中的前驱体原位转化成填料。”论文第一作者、南京工业大学博士陈桂宁介绍，区别于传统的“合成填料—分散填料—填料与聚合物混合”制备混合基质膜的复杂工艺，该方法仅需在聚合物中溶解高含量前驱体，即可实现高含量填料的均匀超薄化掺杂，同时以填料为主体相的新型混合基质膜结构有利于填料之间形成贯穿孔道，为分子提供超快传输通道。　　实验表明，“固态溶剂法”制备的混合基质膜厚度仅为50纳米，填料掺杂量高达80%以上，实现了膜渗透性和选择性数量级的提升。基于超薄膜层和填充的贯穿筛分孔道，该混合基质膜表现出类无机膜（纯填充相）的优异分离性能，氢气/二氧化碳分离性能高出现有聚合物膜和混合基质膜1~2个数量级。　　“‘固态溶剂法’主要依靠聚合物膜的加工制备技术，因此易于放大制备成超薄的平板型和中空纤维型混合基质膜。”论文的共同通讯作者、南京工业大学教授刘公平说，该方法适用于不同类型的填料和聚合物基质，表现出良好的规模化制备前景与膜材料普适性。　　“研究首次从实验上证明了超薄超高掺杂混合基质膜的可行性，也为发展基于纳米材料的超薄分离膜及功能涂层提供了新思路和理论技术基础。”论文通讯作者金万勤介绍，该混合基质膜在碳捕集等过程极具应用潜力，有望助力我国双碳战略目标的实施。在国家重点研发项目的资助下，团队正在开展混合基质膜的放大制备与应用技术研究。