前沿科研成果

金属有机骨架（MOF）材料因其独特的性能在分离、吸附、催化、医药等领域受到研究者的广泛关注。 MOF由金属节点和有机配体自组装而成，具有周期性晶体结构，被认为是一种柔性多孔材料。 然而，由于MOFs的组成单元极小以及有机配体对电子束的高度敏感性，研究人员尚未能够直接观察到MOFs中配体的灵活结构特征。

近日，清华大学化学工程系王铁峰教授与陈晓助理研究员合作留学之路，通过集成微分相差扫描透射电子显微镜（iDPC）实现了UiO-66等典型MOF中Zr金属节点和Zr金属对的检测。 -干）。 研究了邻苯二甲酸（BDC）配体的原子尺度成像，以及不同配体取代基对 MOF 柔性的影响。

图1. UiO-66中BDC配体的柔性成像示意图（图片来源：Nat..）

研究人员通过替换BDC中苯环上的取代基，合成了一系列结构相似的UiO-66-X（X=H、CH3、NH2、OH、F、Cl、Br）材料。 常规表征结果表明，该系列材料具有相同的晶体结构和表观形貌，但在微观层面，iDPC-STEM结构分析发现取代基的变化改变了BDC配体中苯环旋转的性质。 ，使材料具有不同的局部柔韧性特性。 大多数取代基的加入增强了MOF的柔韧性，破坏了BDC配体中苯环与羧基的共轭结构，使苯环更容易旋转。 UiO-66-OH和UiO-66-NH2表现出较高的刚性，分子内氢键进一步固定苯环，使BDC配体基本保持相同的取向。

图 2. UiO-66-NH2 和 UiO-66-Br 的成像和模拟结果（图片来源：Nat..）

研究发现，UiO-66-X的刚性与其CO2捕获能力呈正相关取代基，这可归因于刚性UiO-66-OH具有更均匀的孔隙结构。 取代基的变化不仅可以通过改变静态性质（如电子结构、位阻效应）来影响宏观性质，还可以通过调整动态性质来影响整体性质。

图3.计算得到的苯环旋转能与实验信号半峰宽与材料CO2吸附量的关系（图片来源：Nat..）

上述工作不仅展示了一种直观观察MOFs中配体灵活性的策略取代基，极大地补充了光谱研究中局部信息的缺乏，而且还提出了MOFs中配体的动态构型对宏观性质的影响，提供了基础以供未来小规模研究。 分子捕获、气体分离、分子马达的研究提供了支持。

论文信息：

金属上的-

刘晓陈*、黄宁、刘、王宇、兰、斐伟、王*

纳特。 .14, 4835 (2023)。

研究组简介

王铁峰教授课题组主要研究领域为清洁能源化学工程、多相催化与多相流反应器，包括新型反应器研究与技术开发、计算流体动力学（CFD）、群体平衡模型（PBM）、生物质催化转化平台化合物制化学品、选择性加氢、天然气等低碳烷烃非催化部分氧化制乙炔和乙烯、1,3-丙二醇的化学生产等。

该论文第一作者为清华大学2023级博士毕业生刘伯阳。 现任南京理工大学副教授。 他的研究兴趣包括多相羰基化催化剂设计、MOF基催化剂表征和构效关系研究。 发表SCI论文20余篇。 论文，其中第一作者9篇，包括Chem、Nat.、ACS Catal.等。

教授简介

王铁峰，清华大学化学工程系主任、教授、博士生导师，国家“万人计划”科技创新领军人才。 主要研究领域为清洁能源化学工程、多相流反应器和多相催化。 已负责项目30余个。 在Chem、ACS Catal.、AIChE J.、Nano Lett.、Chem.等期刊和学术会议上发表论文280余篇。 工程师。 2020-2022年发表SCI论文180余篇，申请发明专利40余项，连续三年入选爱思唯尔中国高被引科学家名单。 入选科技部中青年科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才、北京市科技新星。 获中国石化联合会科学技术进步一等奖2项、化学工业学会科学技术进步特等奖1项、中国有色金属工业科学技术奖一等奖1项、中国石化一等奖2项集团公司科学技术进步奖。 荣获侯德邦化工科技创新奖、侯德邦化工科技青年奖、中国石化联合会青年科技突出贡献奖。

陈晓，清华大学化学工程系助理研究员。 他的研究方向主要是开发多孔材料的低剂量原子尺度成像方法。 他致力于分子筛中的单分子成像和直接观察主客体相互作用，以期从分子水平甚至原子水平上理解它。 并探索这些化学反应过程中分子的进入和退出机制以及客体分子与主体骨架之间的相互作用行为。 目前已发表论文60余篇，其中（共同）第一作者/通讯作者12人，包括（3篇）、Nat..（1篇）、Nat..（4篇）等。范德华”（，2021、592、541）入选2021年“中国高校十大科技进步”，荣获第三届中国分子筛新秀奖、2022年中国化学会青年奖，并入选入选2022年中国“35名35岁以下科技创新人物”名单等

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