孔洞材料界的變形金剛：MOF整體晶格結構的極快速重排
109年09月15日
【本報導由化學系 林嘉和教授研究團隊提供】 本研究發表了一個金屬有機骨架(MOF)孔洞材料的新發現——在溫和條件下，通過化學鍵連接的變動，可以實現MOF整體晶格結構的極快速重排。該系統在活化（即溶劑交換和脫附）後約40秒內，其結構從具有低孔隙率與非序化的MOF轉變為高孔隙率與結晶性的異構體，讓比表面積從725 m2/g大幅增加至2,749 m2/g。藉由光譜測量結果顯示，此MOF系統晶格重排涉及到具有缺陷骨架的亞穩中間態生成，其為配位不飽和金屬位置上之溶劑去除後產生，這兩種不同MOFs拓撲結構之非晶性—結晶性間的轉換，可以通過活化與再浸入極性溶劑中完成數次可逆的結構循環轉變。研究旨在探討真實的MOF晶體結構中具有局部的缺陷，聚焦研究於缺陷誘導MOF合成特性，預期能提升與開發MOF材料在物理、機械、電子和光學材料性質以及化學活性。本研究發表在探究的實驗程序下，有助於合成以往不容易合成的高孔隙MOF，並進一步開創缺陷性與高孔隙MOF的功能性應用。 金屬有機骨架（Metal-Organic Framework, MOF）孔洞材料，是一種新穎的奈米孔洞材料，可說是奈米級大小的房屋或海綿，單一克數最高可達足球場大小的表面積，因此工業化應用前景極高，在分離、吸附、催化、光電、醫藥與能源上均有豐富的應用發展。但是合成建構MOF這樣的奈米房子上，一般需耗費半天至數天的化學反應時間。 本研究提出了建構奈米房屋的全新快速製造程序。在MOF晶體結構中具有局部缺陷的狀態下，聚焦研究於缺陷誘導MOF合成特性，進而提升與開發MOF材料在物理、機械、電子和光學材料性質以及化學活性。研究發現在探究的實驗程序下，可以突破合成以往難以合成的高孔隙MOF，並進一步開創缺陷性與高孔隙MOF的功能性應用。 研究發現了一個MOF孔洞材料的新現象——在溫和條件下，通過化學鍵連接的變動，可以實現MOF整體晶格結構的極快速的重排（圖一）。該研究系統活化（即溶劑交換和脫附)後，在數分鐘內，結構便可以從具有低孔隙率與非序化的MOF轉變為高孔隙率與結晶性的異構體，讓比表面積顯著從大約725 m2/g大幅增加至2,749 m2/g。藉由光譜測量結果顯示，此MOF系統晶格重排涉及到具有缺陷骨架的亞穩中間態生成，其因配位不飽和金屬位置上之溶劑去除後而產生，這兩種不同MOFs拓撲結構之非晶性—結晶性間的轉換，可以通過活化與再浸入極性溶劑中完成數次可逆的結構循環轉變（圖二）。 此研究第一次發現MOF孔洞材料可以在僅僅數分鐘內，達成比擬變形金剛般的結構變形轉化，實用性上可以利用此新發現來合成以往在實驗上難以合成出來的MOF孔洞材料，並進一步開創缺陷性與高孔隙MOF的基礎化學以及功能性應用。 圖一：鋁金屬有機骨架(MOF)孔洞材料的整體晶格結構的極快速的重排圖 圖二：鋁金屬有機骨架(MOF)孔洞材料晶格結構重排之可逆的結構循環轉變示意圖