武漢理工麥立強Chem. Soc. Rev.綜述：MOF涂層的通用合成及廣泛應用

【背景介紹】

金屬有機框架結構（MOFs）作為一類新型的多孔晶體材料，近年來引起了人們的廣泛關注。通常地，MOFs包含金屬離子/團簇和有機配體兩個主要部分，并通過配位鍵組裝而成。通過改變金屬離子/團簇和有機配體的種類，研究人員已經成功地制造了成千上萬的MOFs。由于它們獨特的結構，MOFs展現出超高的孔隙率（約90%）、超高的表面積（高達6000 m² g^-1）、均勻可調的孔、充分暴露的活性位點、可調的形貌和豐富的組成，在諸多應用領域中展現出極大的潛力。然而，單純MOFs的特定幾何形態、有限功能和不盡如意的性能阻礙了其進一步的應用。近些年，為了解決上述問題，一種有效的方法是通過整合MOF涂層與功能化材料而形成具有協同優勢的復合材料，進而展現出巨大的應用前景，包括電池、超級電容器、催化、氣體存儲與分離、傳感器、藥物輸運和細胞保護等。然而，系統的合成策略及其結構與應用性能之間的關系還未被深入理解及總結。

【成果簡介】

近日，武漢理工大學麥立強教授課題組根據其課題組關于納米線材料、MOFs及MOF涂層的結構設計與性能研究的基礎，全面地總結了MOF涂層的通用合成策略及廣泛應用。作者首先對MOF涂層的基本化學、分類和功能進行了綜合的討論。之后通過調控金屬離子源和有機配體的狀態（如固、液、氣），不同合成策略制備在功能化材料上的MOF涂層被詳細地介紹。接下來討論了MOF涂層在電池、超級電容器、催化、氣體存儲與分離、傳感器、藥物輸運和細胞保護等領域的應用，及其結構與性能相關性。最后，作者對MOF涂層所面臨的機遇與挑戰進行了展望。該成果發表以“Advances in metal–organic framework coatings: versatile synthesis and broad applications”為題發表在Chemical Society Reviews（DOI: 10.1039/c9cs00806c）。該論文共同第一作者為武漢理工大學的孟甲申博士和劉熊博士，通訊作者為武漢理工麥立強教授。

【圖文解讀】

1.引言

圖1 關于MOFs和MOF涂層的論文每年發表數目

2. MOF涂層的基本化學、分類和功能

2.1 MOF涂層的基本化學

2.2 MOF涂層的分類

圖2 MOF涂層分類和應用的總結圖

2.3.MOF涂層的功能

圖3 MOF涂層功能的總結圖

3.MOF涂層的通用合成策略

圖4 MOF涂層合成策略的總結圖

3.1液-液合成策略

圖5 液-液合成策略的典型實例

3.2 固-液合成策略

圖6 固-液合成策略的典型實例

3.3 固-固合成策略

圖7 固-固合成策略的典型實例

3.4 固-氣合成策略

圖8 固-氣合成策略的典型實例

3.5 氣-氣合成策略

圖9 氣-氣合成策略的典型實例

4.MOF涂層的廣泛應用

4.1 電池

圖10 鋰離子電池和鈉離子電池的典型實例

圖11 其他類型電池的典型實例

4.2 超級電容器

圖12 超級電容器的典型實例

4.3 電催化

圖13 MOF涂層直接應用于電催化的典型實例

圖14 MOF涂層衍生物應用于電催化的典型實例

4.4 氣體分離

圖15 氣體分離的典型實例

4.5 氣體吸附和儲存

圖16 氣體吸附和儲存的典型實例

4.6 光催化

圖17 光催化的典型實例

4.7 傳感器

圖18 光催化的典型實例

4.8 加氫反應

圖19 加氫反應的典型實例

4.9 藥物輸運和細胞保護

圖20 藥物輸運和細胞保護的典型實例

【總結與展望】

作者總結了MOF涂層的通用合成策略和廣泛應用的最新進展。首先深入討論了MOF涂層的基本化學、分類和功能。并且從合成化學的角度，總結了五種合成方法制備MOF涂層，包括液-液、固-液、固-固、固-氣和氣-氣合成策略。此外，詳細討論了獨特結構的MOF涂層在許多前沿領域中應用的典型實例及其結構與性能相關性。盡管在過去的十年中，MOF涂層已取得了較大的進展，但對于實際應用和新興應用來說，仍有很長的路要走。對于MOF涂層的未來研究，一些重要方面和機遇需要被考慮，主要包括：（1）功能化MOF涂層的精確控制，以實現高性能的應用；（2）探索與MOF涂層結合的新型功能材料；（3）開發新策略來調控MOF涂層和功能材料之間的空間分布和界面相互作用；（4）深入了解MOF涂層復合材料中的結構與性能相關性；（5）將MOF涂層復合材料引入新的跨學科領域；（6）低成本和高產量，以實現大規模的實際應用。

【文獻鏈接】

Advances in metal–organic framework coatings: versatile synthesis and broad applications （Chem. Soc. Rev., 2020. DOI: 10.1039/c9cs00806c）

麥立強教授簡介

麥立強，武漢理工大學材料學科首席教授，博士生導師，武漢理工大學材料科學與工程學院院長，教育部“長江學者特聘教授”（2016），國家杰出青年科學基金獲得者，國家“萬人計劃”領軍人才入選者，英國皇家化學學會會士，國家重點研發計劃“納米科技”重點專項總體專家組成員。2004年在武漢理工大學獲工學博士學位，隨后在美國佐治亞理工學院（2006-2007）、哈佛大學（2008-2011）、加州大學伯克利分校（2017）從事博士后、高級研究學者研究。

主要研究方向為納米儲能材料與器件。構筑了國際上第一個單根納米線固態儲能器件，創建了原位表征材料電化學過程的普適新模型，率先實現了高性能納米線電池及關鍵材料的規模化制備和應用。目前已發表包括Nature、Nature Nanotechnol.、Adv. Mater.、Chem. Rev.等在內的SCI論文300余篇，SCI他引16800余次；獲授權國家發明專利100余項。在美國MRS、ACS、ECS等重要國際會議做大會報告、主旨報告、特邀報告70余次。作為大會主席組織Nature能源材料會議、第十屆中美華人納米論壇等重要國際會議10余次。主持國家重大科學研究計劃課題、國家自然科學基金重點項目等30余項。獲國家自然科學獎二等獎（第一完成人，2019）、科睿唯安全球高被引科學家（2019）、教育部自然科學一等獎（第一完成人，2018）、英國皇家化學會中國高被引作者（2017）、第十四屆中國青年科技獎（2016）、第十一屆光華工程科技獎青年獎（2016）、湖北省自然科學一等獎（第一完成人，2014）、侯德榜化工科學技術獎青年獎（2016）、國際電化學能源科學與技術大會卓越研究獎（EEST2018 Research Excellence Awards）（2018）、中國產學研合作創新獎（2016），入選“國家百千萬人才工程計劃”，并被授予“有突出貢獻中青年專家”榮譽稱號，享受國務院政府特殊津貼。任Adv. Mater.、Chem. Rev.客座編輯，Acc. Chem. Res.、Joule、ACS Energy Lett.、Adv. Electron. Mater.、Small國際編委，Nano Res.、Sci. China Mater.編委。