Expanding the MOF Toolkit to Access New Solid-State Functionality: Porous Materials based on Phosphines, Arsines and Chalcogenides

扩展 MOF 工具包以获得新的固态功能:基于膦、胂和硫属化物的多孔材料

基本信息

  • 批准号:
    1905701
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 48.72万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-07-01 至 2025-06-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Non-Technical SummaryThis research program, which is supported by the Solid State and Materials Chemistry program at NSF, involves the preparation and studies of new porous materials, whose unique properties provide fundamental advances for our future energy needs. Porous materials are critical in many large-scale industrial applications, ranging from water purification to the separation of the components of air, and from the capture of toxic chemicals to the production of fuels. However, to make existing processes more efficient and environmentally-friendly, it is essential to improve the properties of materials that perform these functions. The Humphrey group at the University of Texas Austin is working to design and synthesize new porous materials that can incorporate a wide range of well-defined metal species inside their pores. At present, chemically reactive metals cannot be easily or systematically incorporated into most porous materials. Providing a general solution to this problem leads to materials that can capture certain valuable chemical species with greater selectivity and higher capacity. The research team comprised of the PI, graduate students and undergraduate researchers works together to prepare model materials, which are studied using state-of-the-art characterization tools to obtain fundamental information about their properties. Throughout this process, the research team collaborates with theoretical chemists and scientists at beamline facilities to gain a deeper understanding of how structure can affect function. This project integrates an innovative undergraduate educational program, called the Austin-International Framework (AIF). The AIF provides a fully immersive, scholarship-supported international exchange experience to UT Austin undergraduate scientists; students are given the opportunity to broaden their horizons by witnessing first-hand the global nature of science via a semester of study and research in porous materials development at one of several overseas universities of international acclaim. Technical SummaryThe scientific objective of this project, which is supported by the Solid State and Materials Chemistry program at NSF, is to prepare new metal-organic framework (MOF) materials based on unexplored classes of ligands, and to gain an in-depth understanding of their solid-state properties. The field of MOF research continues to expand at an increasing rate, as new potential applications of this novel class of porous materials are discovered. The potential boundaries of MOF chemical complexity remain unknown. However, advances in this regard are slow, restricted by the reliance of MOF discovery using chemically similar organic components. The Humphrey group significantly expands the MOF 'toolkit' by showing that phosphine, arsine and chalcogenide ligands can impart genuinely new solid-state functionalities. The resulting MOF micropores are decorated with structurally well-defined Lewis bases, which can be exploited as post-synthetic attachment points for low-valent, low-coordinate metal species that impart advanced solid-state functionalities (i.e., small molecule chemisorption, chemical bond activation). In essence, the target MOFs are crystalline, atomically-precise solid-state ligands. This is a challenging project, but the resulting materials provide new avenues to systematically incorporate a broad range of metal species of industrial relevance into uniquely confined micro-pore environments. From a fundamental perspective, these materials advance the frontiers of chemical reactivity in MOFs and provide ideal models on which to perform detailed characterization studies pertaining to stronger gas adsorption processes. From a technological perspective, new materials that enable selective adsorption and activation of gases are important for future applications in atmospheric remediation and the production of renewable fuels. In addition to providing research opportunities for undergraduate and graduate students at UT Austin, this project also integrates an innovative undergraduate educational program, called the Austin-International Framework (AIF).This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
非技术概述这项研究计划由美国国家科学基金会的固态和材料化学计划支持,涉及新的多孔材料的制备和研究,其独特的性能为我们未来的能源需求提供了根本的进步。多孔材料在许多大规模工业应用中都是至关重要的,从水的净化到空气成分的分离,从捕获有毒化学物质到生产燃料。然而,为了使现有工艺更高效、更环保,必须改进实现这些功能的材料的性能。德克萨斯大学奥斯汀分校的汉弗莱团队正致力于设计和合成新的多孔材料,这种材料可以在其毛孔中融合各种定义明确的金属物种。目前,化学活性金属很难或系统地结合到大多数多孔材料中。为这一问题提供一般解决方案将导致材料能够以更高的选择性和更高的容量捕获某些有价值的化学物种。由PI、研究生和本科生研究人员组成的研究团队共同努力准备模型材料,并使用最先进的表征工具对其进行研究,以获得有关其性质的基本信息。在整个过程中,研究小组与理论化学家和光束线设施的科学家合作,以更深入地了解结构如何影响功能。该项目整合了一个创新的本科教育项目,称为奥斯汀-国际框架(AIF)。AIF为德克萨斯大学奥斯汀分校的本科生科学家提供完全身临其境的奖学金支持的国际交流体验;学生有机会通过在几所国际知名海外大学之一的一学期学习和研究多孔材料开发,亲眼目睹科学的全球本质,从而拓宽他们的视野。该项目由美国国家科学基金会的固体和材料化学项目支持,其科学目标是基于未被探索的配体类别制备新的金属-有机骨架(MOF)材料,并深入了解它们的固态性质。随着这种新型多孔材料的新的潜在应用被发现,MOF的研究领域继续以越来越快的速度扩展。MOF化学复杂性的潜在边界仍然未知。然而,这方面的进展是缓慢的,受依赖于使用化学上相似的有机成分的MOF发现的限制。Humphrey团队通过展示膦、砷和硫化物配体可以提供真正的新的固态功能,大大扩展了财政部的“工具包”。由此得到的MOF微孔被结构上定义良好的Lewis碱装饰,这些Lewis碱可以被用作低价、低配位金属物种的合成后连接点,这些金属物种具有先进的固态功能(即小分子化学吸附、化学键激活)。本质上,目标MOF是结晶的、原子精确的固态配体。这是一个具有挑战性的项目,但由此产生的材料提供了新的途径,将广泛的工业相关金属物种系统地结合到独特的受限微孔环境中。从根本上讲,这些材料推进了MOF中化学反应的前沿,并提供了理想的模型,在此基础上进行与更强的气体吸附过程有关的详细表征研究。从技术角度来看,能够选择性吸附和激活气体的新材料对于未来在大气修复和生产可再生燃料方面的应用非常重要。除了为德克萨斯大学奥斯汀分校的本科生和研究生提供研究机会外,该项目还整合了一个名为奥斯汀-国际框架(AIF)的创新本科教育项目。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的智力优势和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Low-Valent Metal Ions as MOF Pillars: A New Route Toward Stable and Multifunctional MOFs
  • DOI:
    10.1021/jacs.1c05564
  • 发表时间:
    2021-08-19
  • 期刊:
  • 影响因子:
    15
  • 作者:
    Sikma, R. Eric;Katyal, Naman;Humphrey, Simon M.
  • 通讯作者:
    Humphrey, Simon M.
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