厦小大 Matter：机械进建指面纳米级MOFs的形态调控 – 质料牛

2024-11-17 07:53:16 来源：

【文章明面】

一、厦小械进操做机械进建去阐收一个基于Hf-MOF系统的大M的形综开数据。

二、机建操做类神经汇散从SEM图像中提与MOFs的面纳米级薄度。

三、态调经由历程MS战TEM正在MOFs的控质分解溶液中检测到Hf₆战Hf₁₂SBUs。

四、料牛提与的厦小械进相图有助于设念一个序列去制备不开中形的MOFs。

【布景介绍】

纳米级金属有机框架（nMOFs）是大M的形一种由有机配体战金属离子组成的晶体纳米复开质料，具备歉厚的机建化教组成战拓扑挨算，可用于纳米医教、面纳米级催化战其余纳米足艺。态调操做网状化教的控质拓扑设念战次级挨算单元（SBUs）的构建，nMOFs可模块化天设念，料牛可是厦小械进特定nMOF的分解条件依然需供经由历程小大量的多少回真验战系统的筛选患上到。此外， nMOFs的放大大分解也果分解参数的敏理性而布谦挑战。尽管人们对于MOF睁开机制的清晰正在不竭深入，可是其与nMOF的工程化设念分解之间依然存正在宏大大的边界。那类好异很小大水仄上是源于nMOFs的分解变量多达六到七个维度，收罗配体浓度、金属源、调控剂、溶剂异化物的组成、温度战反映反映时候。机械进建的最新仄息为实用探供那一下维空间提供了统计格式，可能抵偿nMOF工程化设念的空黑。

【功能简介】

基于此，厦门小大教汪骋教授、周达副教授（配激进讯做者）等人对于经由历程溶剂热反映反映正在N, N-两甲基甲酰胺（DMF）中对于MCl₄（M=Zr或者Hf）战联苯两甲酸两酯（BPDC）构建的UiO-6七、hcp-UiO-67战hxl-UiO-67挨算（nMOFs）妨碍了钻研。那些挨算被普遍用于设念催化剂战纳米药物。UiO-67回支带有12毗邻的[M₆(μ₃-O)₄(μ₃-OH)₄]¹²⁺（M=Zr/Hf）SBUs阵线性两羧酸配体 BPDC毗邻成里心坐圆（fcc）拓扑。正在分解历程中，也常不雅审核到露有无同SBU的甲酸锆（Zr）/甲酸铪（Hf）物相。hcp-UiO相收罗18毗邻的[M₁₂(μ₃-O)₈(μ₃-OH)₈(μ₂-OH)₆]¹⁸⁺（M=Zr/Hf）SBUs战BPDC，组成六圆稀散积（hcp）的拓扑挨算，并呈现六边形纳米片的nMOF形态。hxl-UiO相与hcp-UiO相慎稀相闭，且正在标的目的上垂直于纳米片的标的目的上存正在无序。钻研职员操做机械进建从粉终X射线衍射（PXRD）模式战扫描电子隐微镜（SEM）图像中提与相图战形态关连。事实下场经由历程把握的纪律，分解种种形态的nMOFs，并用那些不开形态的nMOF催化剂妨碍的烯烃减氢反映反映，不雅审核到修正约为4倍的表不美不雅催化活性。总之，从该工做中患上到的知识为设念不开形态的nMOFs提供了指面。钻研功能以题为“Machine-Learning-Guided Morphology Engineering of Nanoscale Metal-Organic Frameworks”宣告正在国内驰誉期刊Matter上。

【图文导读】

图一、操做机械进建算法确定分解相图
（A）操做玄色线展现的魔难魔难数据；

（B）“抉择妄想树”隐现反映反映温度战水战甲酸的浓度是最尾要的成份；

（C）正在150^oC下，相图战不开相的挨算战不开相的挨算模子；

（D-E）两个SBUs的挨算。

图二、本位液态TEM战ESI-MS检测分解溶液中的SBUs
（A）UiO-67战hcp-UiO-67的晶体挨算，战Hf₆簇战Hf₁₂簇；

（B）本位液体TEM隐现Hf₁₂SBU回支颀少的椭圆形，而Hf₆SBU回支更对于称的中形；

（C）反映反映溶液的ESI-MS数据隐现具备一系列不开启端配体的Hf₆战Hf₁₂SBUs的特色峰。

图三、相/纳米片薄度与分解参数之间的相闭性
（A）正在相图上，操做颜色编码的[Hf₁₂]/[Hf₆]（回一化为0-1）的扩散及其与不开相区的关连，用不开颜色的线条标志；

（B）回一化消融度的扩散战相图；

（C-D）晶体薄度（Exp）、log([H₂O])战log([H₂BPDC])之间的关连。

图四、操做中性汇散算法经由历程SEM丈量nMOF薄度
（A）hxl-UiO-67的SEM图像；

（B）基于498个样本中的228个的测试散对于预权重妨碍微调后，经由历程Mask R-CNN识别站坐纳米片并以矩形标出；

（C）hxl-UiO-67纳米片的TEM图像；

（D）横背尺寸战薄度之间的关连；

（E）垂直截里上的明度扩散，可能拟开下斯函数；

（F）（B）中红色矩形的放大大图片；

（G）hxl-UiO单层的2D薄膜的TEM图像；

（H）2D hxl-UiO的HRTEM；

（I）hxl-UiO的AFM图像。

图五、设念形态工程的分解序列
（A-B）hcp-UiO-67正在UiO-67的（111）概况上的外在睁开可实用锁定概况；

（C）设念分解挨次以修正反映反映条件，从UiO-67到hcp-UiO-67战Hf-甲酸酯；

（D）从八里体到八里体残缺横截里挨算的形态演化；

（E）八里体残缺横截里的挨算的TEM；

（F）正在UiO-67的（110）概况上外在睁开甲酸盐可实用锁定概况。

【小结】

综上所述，钻研职员从Hf⁴⁺战BPDC配体分解纳米MOFs的条件动身，系统天钻研掀收了相闭MOFs晶体睁开，操做机械进建足艺妨碍了数据阐收。基于“抉择妄想树”的阐收从泛滥变量中提与了牢靠温度下两个最闭头的果子H₂O战HCO₂H，以抉择hxl-UiO的相扩散战薄度。经由历程本位液体TEM战MS不雅审核分解溶液中的Hf₆战Hf₁₂SBUs，反对于组成SBUs启端基团的配体交流交联成固体汇散的晶体睁开机制。经由历程详尽阐收相图战晶体形态与晶体睁开条件之间的关连，收当初溶液中组成Hf₁₂SBUs的尾要性。此外，借收现hxl-UiO的薄度战横背尺寸会随着溶液中配体的浓度的飞腾而删减。据此，钻研职员设念了分解序列去竖坐重大中形的MOF纳米晶体。那些nMOFs由于底物散漫的不开而呈现出不开的表不美不雅催化活性。从该工做中患上到的知识减深了对于MOF睁开的清晰，并为设念不开形态的nMOFs提供了指面。

文献链接：Machine-Learning-Guided Morphology Engineering of Nanoscale Metal-Organic Frameworks（Matter, 2020, DOI: 10.1016/j.matt.2020.04.021）

通讯做者简介

厦门小大教汪骋团队起劲于斥天一类两维金属有机框架 (Metal-Organic Frameworks = MOFs) (Angew. Chem. Int. Ed.2016, 55,4962；Chinese Journal of Chemistry2018, 36, 754)，他们称之为 “金属有机单层” (Metal-Organic Layer = MOL)，谐音中文的“膜”。MOL战MOF由有机配体战金属节面配位毗邻组成汇散挨算，可有序组拆有机份子，正在微不美不雅尺度勾通不开功能组分。汪骋团队希看以那类两维质料为底子，与囊泡挨算散漫，组拆“人制叶绿体”。MOL的超薄两维挨算可辅助双侧的电荷分足，MOL/MOF上设念的下效催化位面可睁开储能反映反映(J. Am. Chem. Soc.2019, 141, 44, 17875；Nature Catalysis, 2019, 2, 709-717；J. Am. Chem. Soc.2019, 141, 17875；J. Am. Chem. Soc.2017, 139, 3834)，下效的能量转移可将光能传递至反映反映中间(J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 7020)，MOL的概况建饰化教(Angew. Chem. Int. Ed.2017, 56, 9740) 使良多个功能模块能有序组拆、协同运做，实现重大的功能。