The Innovation | MOFs衍生中空多孔纳米材料的合成与应用

导 语

MOFs衍生的中空多孔材料（Hollow porous materials, HPMs）具有高比表面积、等级孔结构、高效的电子传递和传质速率、良好的稳定性、以及高电导率等优点，受到了广泛关注。本文总结了MOFs作为前驱体和模板制备HPMs的策略及其在催化、能源与环境中的应用，为HPMs合成及深入理解材料结构与性能之间的构效关系提供了有价值的参考。

图1 图文摘要

传统硬模板法合成HPMs时，模板剂去除需要在酸、碱或高温条件下进行，不仅合成工艺繁琐，而且在苛刻条件下一定程度上会破坏材料的空心结构。MOFs材料由金属中心连接有机配体组成，具有多样的结构、规则可调的孔道和独特的物理化学性质等特点，近年来大量文献报道了这类材料用于制备功能HPMs的方法和进展。

MOFs衍生的中空多孔材料的制备策略可以分为MOFs作为自牺牲模板制备HPMs；MOFs同时作为牺牲模板和前驱体制备HPMs；MOFs核-壳复合材料作为前驱体制备HPMs；中空MOFs及其复合材料作为前驱体制备HPMs。MOFs衍生的中空多孔材料主要包括金属碳化物、金属氧化物、金属硫化物、多孔碳材料及其复合材料（图2）。

图2 MOFs作为自牺牲模板制备中空多孔材料的示意图

催化是现代工业的核心研究方向。迄今为止，人们在制备和构建优良的催化剂方面付出了巨大的努力。近年来，MOFs衍生的中空多孔材料报道用于选择性加氢、催化氧化、CO₂还原等反应（图3）。

图3 MOFs衍生的中空多孔材料在催化中的应用

原子掺杂中空碳材料作为电催化反应的催化剂表现了出良好的催化性能。高比表面积和丰富的孔结构能够有效促进反应物的传质和电荷的转移，暴露的金属活性中心为电催化反应提供了充足的反应位点（图4）。

图4 MOFs衍生的中空多孔材料在电催化氧还原中的应用及机理研究

面对日益严重的能源危机和环境污染，开发具有优异催化性能的纳米材料对绿色能源的高效转化和环境污染的治理至关重要。MOFs衍生的中空多孔材料在能源环境方面展示出了巨大的应用前景（图5），影响活性的主要因素包括：活性位点的类型、构型、载体和杂原子掺杂等。

图5 MOFs衍生的中空多孔材料在能源环境中的应用及机理研究

总结与展望

本文系统总结了MOFs作为前驱体和软模板制备中空多孔材料的设计策略、表征方法，及其在催化、环境、能源存储和转换方面的应用及机理研究，揭示了材料结构和性能之间的构效关系。同时，本文指出了中空多孔材料在应用中的不足与挑战，展望了未来的发展前景。

责任编辑

杨 慧   华北电力大学

肖 菲   中国海洋大学

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00077-7

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第五期以Review发表的“Metal-organic framework nanocrystals derived hollow porous materials: synthetic strategies and emerging applications” (投稿: 2022-04-17；接收: 2022-06-16；在线刊出: 2022-07-06)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100281

引用格式：Liu X., Verma G., Chen Z., et al. (2022). Metal-organic framework nanocrystals derived hollow porous materials: synthetic strategies and emerging applications. The Innovation. 3(5),100281.

作者简介

王祥科，华北电力大学环境科学与工程学院博士生导师，教授。主要从事三废治理、纳米材料在废水处理、等离子体技术应用、环境污染检测和治理中的应用等方面的研究工作近几年以通讯作者身份在国内外学术期刊重要杂志发表论文300余篇，邀请综述20多篇。

杨 慧，2013年毕业于西北工业大学，获工学博士学位，现为华北电力大学环境科学与工程学院副教授。主要从事配位化学研究，致力于新型多孔材料的设计制备及其在放射化学与环境方面的应用探索。

马胜前，北德克萨斯大学Welch Foundation终身讲席教授。主要致力于开发功能性多孔材料，包括金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）、多孔有机聚合物（POPs）以及微孔碳材料用于能源、生物和环境相关的应用。在相关领域发表研究论文250余篇。

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The Innovation 是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球46个国家/地区；每期1/4-1/3通讯作者来自海外；已被107个国家/地区作者引用。目前有193位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，33位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC等数据库收录。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。

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