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摘 要：对金属-有机框架（MOFs）进行阳离子交换是改进次级结构单元的一项新兴合成路线。这种技术已被广泛应用于增强纳米晶和分子的性能，该技术对于MOFs材料应用的还处于初期。阳离子交换作为一个理性的工具，我们需要解释其影响的因素。但没有足够的实验来证明这些结论，所以我们提供了一个概念框架,并将关注哪些SBUs会发生交换，为什么某些特定离子取代其它，框架怎么影响这个过程和在当前情况下溶剂起什么作用。在这些指引和现有的数据来看，我们缺少大量的实验。如果未来的研究按照这样的路线，那么全面的数据将会便于我们更为深入了解阳离子如何进行交换的过程,并促进将来的应用研究。59211
毕业论文关 键 词：MOFs材料，阳离子交换，金属配体，周期性趋势
Abstract：Cation exchange is an emerging synthetic route for modifying the secondary building units (SBUs) of metal–organic frameworks (MOFs). This technique has been used extensively to enhance the properties of nanocrystals and molecules, but the extent of its applications for MOFs is still expanding. To harness cation exchange as a rational tool, we need to elucidate its governing factors. Not nearly enough experimental observations exist for drawing these conclusions, so we provide a conceptual framework for approaching this task. We address which SBUs undergo exchange, why certain ions replace others, how the framework influences the process, the role of the solvent, and current applications. Using these guidelines, certain trends emerge from the available data and missing experiments become obvious. If future studies follow this framework, then a more comprehensive body of observations will furnish a deeper understanding of cation exchange and inspire future applications.
Keywords: MOFs, cation exchange, Metal ligands, periodic trends of cation exchange
目 录
1.前言 4
2.介绍 4
2.1哪些单位进行阳离子交换? 5
2.2哪些原子交换进入次级结构单元？ 13
2.3框架如何影响交换？ 15
2.4溶剂在阳离子交换中起何作用？ 16
3.应用 17
4.前景 19
参考文献 21
致 谢 22
1.前言
阳离子交换是一种强大的工具，用于设计新的材料。广义上来说，它是一个金属离子部分或完全替代另一个部位。常规合成在高温下难以进行时，这个过程提供了一种较为平和的替代方法。几十年前，它已被用于调整沸石的结构组成，后来则用于纳米晶。金属有机框架物已经出现很长时间，但一直到2007年，阳离子交换才用于MOFs材料的合成。在这些材料中，交换发生在无机簇，通常被称为金属节点或次级结构单元（SBU）[1]。虽然这些簇在MOF结构中是不可或缺的，但有时在几小时可以用其它金属离子进行更换而不破坏原有结构。通过金属离子置换内部结构的过程是未知的，但这种细节也是非常有趣的。
2.介绍
地球化学家们早就知道阳离子的置换能力[2]。矿物质很少是纯的，它们会通过电荷经常与其他离子结合形成复杂的结构。离子的另一个替换发生在晶格位置，而且常常需要很高的温度和压力。例如，被称为橄榄石系列的火山岩，(Mg2+, Fe2+)SiO4，在岩浆中Mg2+，Fe2+会发生晶格替代[3]。同时多孔白榴石的形成是因为Na+发生了替代。KAlSi2O6，发生在温度低至150℃，这说明了交换有促进反应进行的作用。V. M. Goldschmidt制定了一套规则来解释岩浆矿物中离子交换的这种现象[4]。离子交换发生在如果他们拥有相似的电荷和半径。电荷大，电荷半径小的离子更容易进行交换，因为它们能够形成更强大，更稳固的离子键。考虑到这些键的共价性，Ringwood规则规定相似离子可以进行相互取代[5]。低电荷的离子将会被取代，因为高电荷离子能形成更强的的离子键。虽然观察的是矿物质这种密集结构，但这些趋势对评估MOF中阳离子的交换行为大有用处。