應(yīng)用案例 | 使用高能控溫球磨儀探究溫度對(duì)機(jī)械化學(xué)MOF材料合成的影響

時(shí)間：2025/12/24閱讀：62

2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)被授予北川進(jìn)(Susumu Kitagawa)，理查德·羅布森(Richard Robson)和奧馬爾·M·亞吉(Omar M. Yaghi)，以表彰他們“在金屬有機(jī)框架領(lǐng)域的發(fā)展"，獲獎(jiǎng)獎(jiǎng)金為1100萬瑞典克朗。這也是該領(lǐng)域初次獲得諾貝爾獎(jiǎng)項(xiàng)，在三名獲獎(jiǎng)?wù)叩耐黄菩园l(fā)現(xiàn)之后，化學(xué)家們構(gòu)建了數(shù)以萬計(jì)不同種類的金屬有機(jī)框架材料，其中一些材料可能有助于解決人類面臨的很多重大挑戰(zhàn)。

金屬有機(jī)框架(Metal Organic Frameworks，MOFs)是一類多孔高分子，由有機(jī)配體配位的金屬原子或原子簇構(gòu)成一維、二維或三維的結(jié)構(gòu)。所用的有機(jī)配體有時(shí)被稱為“支撐體"(strut)或“連接體"(linker)。MOFs材料具有孔隙率高、比表面積大、尺寸可調(diào)、結(jié)構(gòu)易修飾、功能多樣化等特點(diǎn)，使其在氣體存儲(chǔ)(如氫氣和二氧化碳)方面具有應(yīng)用潛力，另外也可能應(yīng)用于包括氣體凈化、氣體分離、水處理，催化劑、電導(dǎo)固體以及超級(jí)電容器等領(lǐng)域。

MIL-101金屬有機(jī)框架的示意圖。

每個(gè)綠色八面體由中心一個(gè)鉻原子與六個(gè)位于頂點(diǎn)的氧原子（紅球）構(gòu)成

到目前為止，在MOFs合成的幾種常見方法中，機(jī)械化學(xué)法(即在無溶劑或極少量溶劑的情況下研磨固體反應(yīng)物進(jìn)行的反應(yīng))作為一種清潔、綠色、高效的合成手段逐漸引起人們的關(guān)注。諸多研究者對(duì)機(jī)械化學(xué)法合成 MOFs 頗感興趣的原因在于：(1) 綠色環(huán)保：反應(yīng)可在室溫、少量溶劑甚至無溶劑條件下進(jìn)行，避免了因使用大量有機(jī)溶劑而對(duì)環(huán)境造成的污染；(2) 耗時(shí)短、產(chǎn)率高：機(jī)械化學(xué)合成一般在 10~60 min即可完成(甚至更短)，大大縮短了反應(yīng)時(shí)間，并可保證高產(chǎn)率。

MOFs常見的合成方法發(fā)展時(shí)間線

典型的機(jī)械化學(xué)反應(yīng)是將粉末材料共研磨或銑削，可在瑪瑙研缽中手動(dòng)研磨，也可借助電動(dòng)機(jī)械(如球磨儀或其他研磨機(jī)械)實(shí)現(xiàn)。機(jī)械化學(xué)過程中提供的動(dòng)能可對(duì)固體粉末產(chǎn)生多種影響，比如產(chǎn)生熱量、減小粒徑尺寸(增加比表面積甚至產(chǎn)生新表面)、在晶格中形成缺陷和位錯(cuò)、局部熔化甚至出現(xiàn)晶相變化。機(jī)械化學(xué)法(研磨)作為一種攪拌手段還提供了優(yōu)良的傳質(zhì)過程。在此過程中，機(jī)械應(yīng)力有可能通過破壞晶體而增加表面積，促進(jìn)了相互滲透和后續(xù)反應(yīng)。

不同工作范圍的萊馳球磨儀

對(duì)機(jī)械化學(xué)法而言，控制反應(yīng)條件(比如研磨時(shí)間、溫度、轉(zhuǎn)速，施加的撞擊力等)非常關(guān)鍵。對(duì)于市面上大多數(shù)球磨儀，可以通過設(shè)置機(jī)器參數(shù)輕松改變轉(zhuǎn)速和研磨時(shí)間等，但在溫度控制上存在很大的挑戰(zhàn)。溫度對(duì)反應(yīng)效率有重大影響，甚至可以決定反應(yīng)類型和反應(yīng)的生成物。作為實(shí)驗(yàn)室粉碎研磨設(shè)備領(lǐng)域的廠家，萊馳為客戶提供寬泛的球磨儀產(chǎn)品選擇，從 -196℃低溫研磨，到-100℃~100℃的溫控研磨，為客戶提供成熟穩(wěn)定的控溫研磨方案。

通過控溫研磨合成ZIF-8

ZIF-8 是一種金屬有機(jī)框架（MOF）材料，由鋅離子和2-甲基咪唑配體通過自組裝形成。它具有類沸石的結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是高比表面積、高孔隙率和可調(diào)控的孔徑（約3.4 ?），并擁有出色的化學(xué)穩(wěn)定性。ZIF-8 在氣體分離、催化劑載體、藥物輸送和超級(jí)電容器等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

通過機(jī)械化學(xué)法合成ZIF-8，采用氧化鋅和2-甲基咪唑?yàn)橛袡C(jī)配體放進(jìn)球磨儀中研磨。研究表明，常溫下研磨會(huì)有中間衍生物kat-ZIF-8和dia-ZIF-8生產(chǎn)，降低產(chǎn)量。

常溫和冷凍研磨生成物類型示意圖

萊馳高能控溫研磨儀MM500 Control

使用萊馳高能控溫研磨儀MM500 Control能對(duì)涉及熱不穩(wěn)定中間產(chǎn)物生成的反應(yīng)進(jìn)行冷卻來精確控制。MM500 Control配置有熱交換平臺(tái)，樣品材料的冷卻和加熱是通過熱交換平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的，例如，打開液氮浴或干冰浴，使樣品冷卻。對(duì)于加熱，研磨罐簡(jiǎn)單地放置在熱交換平臺(tái)的頂部。當(dāng)研磨罐與熱交換平臺(tái)接觸時(shí)，熱量通過控溫裝置有效地從研磨罐傳遞或傳遞到研磨罐。密封流體設(shè)計(jì)，允許使用不同的熱流體，確保靈活和安全的溫度調(diào)節(jié)，溫度可以設(shè)置在-100到+100°C的范圍內(nèi)。從而極大地拓展了發(fā)現(xiàn)新合成途徑和產(chǎn)品的潛力。

MM500 Control熱交換平臺(tái)CRYOPAD

使用萊馳高能控溫研磨儀MM500 Control控溫研磨合成ZIF-8的進(jìn)一步研究表明將冷卻裝置將熱板溫度設(shè)定為-5℃后，即可立即終止kat-Zif-8與dia-ZIF-8的進(jìn)一步反應(yīng)。即使溫度升高5℃，仍會(huì)形成第二個(gè)中間體kat-ZIF-8。當(dāng)熱板溫度為20℃時(shí)，可檢測(cè)到全部三種產(chǎn)物；若在無冷卻條件下合成，實(shí)際反應(yīng)僅生成dia-ZIF-8。因此，通過控制反應(yīng)在-5℃下進(jìn)行，能顯著提高ZIF-8的產(chǎn)量。

領(lǐng)拓儀器作為萊馳的代理商，擁有德國(guó)Retsch (萊馳)粉碎、研磨、篩分等設(shè)備。若您對(duì)萊馳設(shè)備感興趣，可聯(lián)系客服咨詢?cè)斍椤?/span>

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