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近年来，随着金属有机框架（MOF）和纳米纤维素（CNM）的快速发展， MOF/CNM复合材料受到了研究人员的广泛关注。一方面，CNM可作为MOF原位生长的模板，有助于改善MOF的分散性、可加工性和可循环使用性。另外一方面，MOF 的加入可提高CNM的比表面积及孔隙率，赋予CNM优异的吸附、机械、抗菌和电化学等性能，对拓宽CNM的应用领域具有重要的意义。因此，MOF/CNM复合材料拥有高比表面积、多级孔结构、优异的电化学、物理机械、及抗菌等特性，在水体修复、空气净化、电化学能源存储和转化、生物医疗、信息安全、太阳能发电、隔热、阻燃和电磁干扰屏蔽等众多领域中展现出广阔的应用潜力。
近日，来自南京林业大学的李美春教授团队，在国际知名期刊Coordination Chemistry Reviews上发表题为“Recent Advances in Metal Organic Framework and Cellulose Nanomaterial Composites”的综述文章。这篇文章系统地总结了MOF/CNM复合材料的最新研究进展，介绍了MOF/CNM复合材料的制备方法、综合性能和新兴应用，提出了存在的问题和挑战，展望了今后的研究方向，为高性能MOF/CNM复合材料的制备提供一些参考意见。
图1.综述的主要内容，包括 MOF 和 CNM 的类型、MOF/CNM 复合材料的制备方法、分类、综合性能和新兴应用领域
I. MOF/CNM复合材料的制备方法
MOF/CNM 复合材料的制备方法可分为两大类，即非原位共混和原位生长合成（图 2）。受益于 CNM优异的加工性能，所获得的MOF/CNM悬浮液可以进一步加工成水凝胶、粉末、膜和气凝胶，具体取决于后续处理的方法（例如，交联、真空过滤、烘箱干燥、冷冻干燥和热压等）。
图2. MOF/CNM 复合材料的制备方法：a) 非原位共混法，b)原位生长合成法
II. MOF/CNM复合材料的综合性能
MOF/CNM复合材料拥有高比表面积、多级孔结构、优异的电化学、物理机械、及抗菌等特性。MOF/CNM复合材料的比表面积最高可达2330 m2/g, 但是这取决于MOF的种类和含量、制备方法、CNM的表面化学（图 3）。MOF/CNM复合材料的孔径、孔隙率和孔体积分别在0.4~650 nm, 43%~99% 和 0.01~0.96 cm3/g之间，MOF的加入极大提升了复合材料的多孔特性（图 4）。MOF/CNM复合材料的离子电导率为0.837-1.55 mS/cm，MOF/CNM复合材料的多孔特性有利于其离子的传输（图 5）。MOF/CNM复合材料的电子导电率在 0.88-1.03 × 104 S/m之间，可通过合理设计MOF的化学结构，例如使用共轭有机配体和d7 – d9金属原子，来进一步改善MOF/CNM复合材料的电子导电率。MOF/CNM复合薄膜材料的拉伸强度介于0.22-598.8 MPa之间，MOF的种类和含量、湿度及后处理方法对拉伸强度影响显著（图 6）。MOF/CNM复合气凝胶材料具有可控的压缩强度及优异的压缩恢复性能，MOF的种类和含量是影响其压缩性能的主要因素。MOF/CNM复合材料的抗菌特性主要来源于MOF，合成MOF的金属阳离子和有机配体都具备一定的抗菌性能。此外，MOF/CNM复合材料独特的多孔结构可用于负载其他抗菌材料，进一步提升其抗菌效果。
图3. MOF/CNM复合材料的比表面积
图4. MOF/CNM复合材料的多层级孔结构
图5. MOF/CNM复合材料的电化学特性
图6. MOF/CNM复合材料的物理机械性能
III. MOF/CNM复合材料的新兴应用
MOF/CNM复合材料在水体修复、空气净化、电化学能源存储和转化、生物医疗、信息安全、太阳能发电、隔热、阻燃和电磁干扰屏蔽等众多领域具有广阔的应用前景。在水体修复领域中，MOF/CNM复合材料可用于吸附各种有机化合物（如罗丹明 B、甲基橙、N,N-二甲基甲酰胺、阿司匹林、盐酸四环素和亚甲基蓝等）和重金属离子（如Pb2+，Cr6+, Mn2+, Ni2+, Cd2+, Cu2+和Co2+等）（图 7）。在空气净化领域，MOF/CNM复合材料可用于二氧化碳，挥发性有机化合物和PM2.5的分离（图 8）。MOF/CNM复合材料还可以在电化学储能和转换装置中用作自支撑隔膜和电极，包括超级电容器、锂离子电池、锂硫电池、钠离子电池和燃料电池（图 9）。在生物医学领域中，MOF/CNM复合材料可用作抗菌材料，同时还可以作为药物输送的载体（图 10）。除此之外，MOF/CNM复合材料在信息安全、太阳能发电、隔热、阻燃和电磁干扰屏蔽等新兴领域也受到了极大的关注（图 11）。
图7. MOF/CNM复合材料在水体修复领域中的应用：(a、b) 吸附罗丹明 B，(c、d) 吸附亚甲基蓝， (e、f) 吸附重金属离子
图8. MOF/CNM复合材料在空气净化领域中的应用: (a、b) 分离CO2，(c、d、e) 分离挥发性有机化合物，(f、g、h) 分离PM2.5
图9. MOF/CNM复合材料在电化学能源存储和转化领域中的应用: (a、b)超级电容器，(c、d)锂离子电池，(e、f)锂硫电池，(g、h)钠离子电池，以及(i、j)燃料电池
图10.MOF/CNM复合材料在生物医学领域中的应用: (a、b)抗菌材料，(c、d)药物释放
图11. MOF/CNM复合材料在一些新兴领域中的应用： (a、b、c) 信息安全，(d、e、f) 太阳能发电， (g、h、i) 隔热和阻燃，(j、k、l)电磁干扰屏蔽
IV. 存在的问题、挑战和建议
近年来 ，尽管MOF和 CNM的研究取得了很大进展，但 是MOF/CNM 复合材料的发展仍处于起步阶段，仍有许多科学问题需要解决。具体如下：1）MOF 和 CNM的高成本和加工难度限制了其大规模工业化生产；2) MOF/CNM 复合材料的性能受到众多因素的显著影响，具体包括制备方法、干燥方法以及 MOF 和 CNM 各自的性能；3) CNM 具有高度亲水性，这使得 MOF/CNM 复合材料容易吸收大量水分，导致机械和电化学性能不稳定；4) 采用原位生长合成策略制备MOF/CNM 复合材料时，需要解决CNM模板带来的不利影响；5) 目前，MOF/CNM复合材料研究主要集中在污水处理、空气净化、电子储能和转换装置等领域，在一些新兴领域的报道还较少。针对上述存在的问题，作者提出以下建议：1）进一步降低 CNM 和 MOF 的制备成本以及开发更具成本效益的复合方法; 2）在MOF/CNM 复合材料的制备过程中，需优化各种参数，以确保 MOF 具有良好的物理化学特性，以满足不同应用的需求；3）借鉴其它CNM复合材料的抗湿策略，开发高防潮性能的MOF/CNM复合材料；4)通过优化模板中 CNM之间的连接及排列方式，调控 MOF 的逾渗连接密度，从而实现相对有效和畅通的离子或电子传输，最大限度地减少MOF或CNM用量的同时保持合适的力学强度；5）对一些新兴领域，比如生物医学、催化、光学、食品科学和微电子等领域，需要进一步的研究和探索。
–纤维素–
–帮测科技–
论文链接：
Recent Advances in Metal Organic Framework and Cellulose Nanomaterial Composites
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010854522000911
来源：高分子科学前沿
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