王铁峰、陈晓合作揭示金属有机框架中配体取代基对局域结构刚性的影响

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金属有机框架（MOF）材料因其在分离、吸附、催化、医药等领域的独特性能，受到了研究者的广泛关注。MOF由金属节点和有机配体自组装形成，具有周期性晶体结构，被认为是一种柔性的多孔材料。但是，由于MOF极小的组成单元和有机配体对电子束的高敏感性，目前研究者尚未能直接观测到MOF中配体的柔性结构特征。
         近日，清华大学化工系王铁峰教授课题组和陈晓助理研究员合作，通过积分差分相位衬度扫描透射电子显微技术（iDPC-STEM），实现了对UiO-66这种典型MOF中Zr金属节点和对苯二甲酸（BDC）配体的原子尺度成像，并研究了不同配体取代基对MOF柔性的影响。

         研究者通过替换BDC中苯环上的取代基，合成了一系列具有类似结构的UiO-66-X（X= H, CH3, NH2, OH, F, Cl ,Br）材料。常规表征结果表明，这一系列材料具有相同的晶体结构和表观形貌，但在微观层面上，通过iDPC-STEM结构解析发现，取代基的变化使得BDC配体中苯环旋转的性质发生了改变，从而使得材料具有不同的局部柔性特征。大部分取代基的加入增强了MOF的柔性，其破坏了BDC配体中苯环与羧基的共轭结构，使得苯环更加容易旋转。而UiO-66-OH和UiO-66-NH2则展现出了更高的刚性，分子内的氢键进一步固定了苯环，使得BDC配体基本保持相同的取向。
         研究发现UiO-66-X的刚性程度与其CO2捕获能力存在正相关性，这可归因于刚性UiO-66-OH中具有更多的均一孔道结构。取代基的变化不仅可以通过对静态性质（如电子结构、位阻效应）的改变来影响宏观性能，还可通过对动态性质的调整实现对总体性质的影响。
         上述工作不仅提供了一种直观观测MOF中配体柔性行为的方法，补充了谱学研究缺乏局部信息的缺陷，还揭示了MOF中配体动态构型对宏观性质的影响机制，对小分子捕获、气体分离、分子马达等领域的深入研究具有重要借鉴意义。
          该成果以“MOF中官能团动态影响的成像研究”（Imaging the dynamic influence of functional groups on metal-organic frameworks）为题，发表在近期《自然·通讯》（Nature Communications）上。
          论文的第一作者为清华大学化工系2023届博士毕业生刘伯阳（现已入职南京理工大学），论文的通讯作者为清华大学化工系王铁峰教授和陈晓助理研究员。该研究得到国家自然科学基金和清华大学超算平台的大力支持。
          论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40590-6
          文章来源：清华大学
        王铁峰，工学博士，清华大学化工系化学工程专业， 2014获侯德榜化工科技青年奖，2013国家万人计划首批青年拔尖人才，2012 教育部新世纪优秀人才支持计划，2009 北京市科技新星计划。主要研究领域为清洁能源化工、非均相催化和多相流反应器，内容涉及新型浆态床反应器的研究与开发、计算流体力学（CFD）与群体平衡模型（PBM）研究、多相流体系基于格子Boltzmann方法的模拟、浆态床合成甲醇和一步法合成二甲醚过程研究与开发、天然气非催化部分氧化制乙炔过程研究、流化床制备太阳能级多晶硅工艺研究、甘油脱水制丙烯醛以及乙炔选择性加氢过程研究。