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本文聚焦富硫金属有机框架(MOFs),探讨其设计原则、合成策略,按硫功能类型梳理应用,分析优缺点。有助于深入理解富硫 MOFs,为相关研究和应用提供参考,推动该领域发展。
引言
硫在元素周期表中位于氧下方,因电子云更分散、有空的低能级 d 轨道,与氧在电子结构、反应性及应用方面存在差异。硫修饰的有机功能团,如硫醇和硫醚,展现出比氮、氧类似物更丰富的性质,这一特性有望用于功能材料设计。
金属有机框架(MOFs)结构明确、功能可调、拓扑结构丰富。将硫基团引入 MOFs,既能赋予框架功能,又能保护硫功能团。例如,基于硬软酸碱(HSAB)理论,硫功能化 MOFs 在重金属去除方面表现优于氮或氧修饰的 MOFs,凸显其在环境修复中的优势。此前虽有关于硫功能化 MOFs 的综述,但缺少对构建交联和持久自由基策略的讨论,且随着研究快速发展,有必要更新进展,分享硫功能化连接体、金属离子选择及应用选择等方面的经验。
基于硫功能化连接体的 MOFs 设计原则和组装策略
按配位模式,含硫 MOFs 大致分为五类:一是由巯基 - 羧基连接体组装,只有金属 - 羧酸盐配位和独立硫功能团的框架;二是含硫醇基连接体的框架;三是仅含硫醚基连接体的框架;四是由巯基 - 羧基连接体组装,只有金属 - 硫配位的框架;五是基于巯基 - 羧基连接体的其他类型框架 。
硫基团利用策略
硫醇和硫醚是硫功能化 MOFs 发挥功能的关键组分,明确它们与功能的关系对功能性硫修饰 MOFs 的进一步发展至关重要。以往文献多按应用类别综述此类 MOFs,未突出功能 - 应用关系,因此,本文重点探讨硫功能团的利用策略。
富硫 MOFs 的优缺点概述
详细讨论富硫 MOFs 后,对这类特殊 MOFs 的优缺点进行综述,并与普通 MOFs 对比。总体而言,富硫 MOFs 在多方面优于原始 MOFs(具体对比见表 6 )。不过,这一新兴领域仍面临挑战,本节对此进行概述和比较,加深读者对富硫 MOFs 的认识。
结论与展望
HSAB 理论在框架主体构建及框架与应用匹配方面都适用。化学性质较软的硫,无论是硫醇还是硫醚形式,在某些方面确实比氧和氮更具优势,比如与电子兼容的金属中心融合、易于修饰、稳定自由基、具有氧化还原活性等。尤其是金属 - 硫醇盐相互作用对催化性能的调节研究,为富硫 MOFs 的发展提供了方向,未来有望在更多领域取得突破和应用。