基于三嵌段聚合物与离子协同效应制备有序介孔MOFs

由于有序介孔材料其独特的物化性质,在过去十多年受到了极大关注。合理的孔结构以及合适的孔径决定了其具体应用。模板法被广泛认为是制备有序介孔结构的有效方法。自从突破性的运用聚合物表面活性剂作为软模板,制备出了各种介孔材料,例如SBA-15、介孔金属氧化物等。相对于传统基体,尤其在分子水平,MOFs拥有更高的结构可设计性以及可变性。同时,由于其丰富的组成以及活性位点使其在吸附、能源转化、催化等领域引起研究人员的关注。然而,通过制备具有有序介孔结构并具有优异的孔道贯穿性以及高结晶性的MOFs仍然具有挑战性。

为了解决这一问题,华东理工大学林绍梁教授、顾金楼教授团队和华东师范大学黄荣研究员合作通过嵌段聚合物形成的胶束作为软模板并结合霍夫曼效应,在MOFs生长过程中,胶束作为模板致孔剂,制备了基于铈的多级介孔有序高结晶性的MOFs。同时,通过改变模板剂,对MOFs的结构进行了有效调控。并且,由于MOFs具有的有序孔结构及通道,使其可作为理想的生物反应器。该研究以题为“Ordered Large-Pore MesoMOFs Based on Synergistic Effects of TriBlock Polymer and Hofmeister Ion”的论文发表在《德国应用化学》上。

华东理工大学林绍梁、顾金楼《德国应化》:基于三嵌段聚合物与离子协同效应制备有序介孔MOFs

【有序介孔MOFs的制备及其表征】

如图1所示,作者首先利用SAXS和XRD分析了MOFs材料的内部堆积结构以及结晶性,结果表明内部堆积结构为二维六方堆积,XRD证实了MOF是的晶体结构。扫描电镜以及透射电镜结果揭示了MOFs的表面结构以及内部的有序孔道结构,通过高分辨透射电镜与XRD证实了MOFs的结晶性。通过氮气吸附曲线计算得到了MOFs内部孔径在10 nm左右,且孔道的厚度为6.2 nm,整个BET表面积约为1180 m2 g-1,介孔表面积约为344 m2 g-1,孔道体积约为0.89 cm3 g-1.

【有序介孔MOFs的形成机制】

通过一系列的控制实验推断出了一种合理的机理,如图2所示。在第一阶段,嵌段聚合物在(NH4)2Ce(NO3)6/乙酸/NaClO4水溶液中聚集,形成以PPO嵌段为核心、PEO冠层包裹的棒状胶束。由于PEO片段可以通过配位键与多价金属形成冠醚型配合物,柱状胶束的外围将被团簇包围(步骤1)。因此,MOFs可以沿着锚定的铈团簇在胶束周围结晶。醋酸(HAc)被引入作为调节剂,通过与连接剂竞争来控制成核和晶体生长速率。值得注意的是,这种竞争也会影响模板与金属物种之间的弱配位。因此,HAc的量需要精确控制在一个合适的范围内,因为调节剂不足会导致低结晶度产物的形成(图S3a,3c),而调节剂过多会与四价铈配位,从而削弱金属前驱体与PEO段之间的相互作用,因此不利于有序细观结构的形成(图S3b,3d)。

组装过程成功的关键在于霍夫曼盐析在二氧化氯离子中所起的作用。最近的共识是,离子中的盐析很容易极化,并且通过直接的偶极-偶极相互作用对有机溶质的疏水部分呈现出高亲和力。因此,添加BDC配体后,NaClO4会在配体周围积聚,削弱它们的疏水性聚集,从而提高它们的水溶性(增溶)。同时,丰富的ClO4-离子会吸引和桥接铈节点到BDC配体(介导)。通过ClO4-离子介导,MOF前体的局部浓度会增加,促进了Ce-PEO复合物冠周围结晶MOFs的生长(第2步)。此外,已经证明,霍夫曼效应对嵌段共聚物的相行为有重要影响,并进一步影响OMMs的形成过程。这些离子的具体作用取决于模板剂的类型和反应混合物的pH值。例如,在合成SBA-15的强酸性条件下,离子的盐析作用被吸附到聚合物的EO部分,从而减小疏水核的直径,增加胶束的电晕厚度。同时,阴离子的盐析促使二氧化硅物种深入胶束核心,从而形成更紧密的结构。同样,在强酸性合成混合物(pH<0.5)中,随着ClO4-的增加,Ce-HMMOF-P的中孔尺寸从12.5 nm缩小到9.3nm(图S5),当ClO4-/Ce的投料比大于3.6时,过量的ClO4-离子盐析会将分散的铈胶束复合物连接在一起,以大的聚集形式从水溶液中沉淀出来。随着HAc和ClO4对配位平衡的精确调节,MOFs在PEO冠周围生长并逐渐聚集形成周期性排列的六方介观结构(step 3),并进一步自发地形成能量有利的球形形貌(step 4)。最后,通过萃取工艺可以获得易接近的大孔。FTIR光谱表明,几乎所有模板都已从Ce-HMMOFs中移除(图S6)。热重分析结果表明,样品在300℃以下是稳定的,这与微孔Ce-UiO-66的热稳定性是一致的,同时,根据热重分析数据计算出每个Ce6单元的连接缺陷数约为0.89。

华东理工大学林绍梁、顾金楼《德国应化》:基于三嵌段聚合物与离子协同效应制备有序介孔MOFs
Figure 1. (a) MOFs的SAXS以及XRD图;(b-c) MOFs的扫描电镜图;(d) MOFs的透射电镜图;(e) MOFs的高分辨透射电镜图;(f) MOFs的氮气吸附曲线。

 

华东理工大学林绍梁、顾金楼《德国应化》:基于三嵌段聚合物与离子协同效应制备有序介孔MOFs
Figure 2. 制备有序介孔MOFs的示意图。

 

【有序介孔MOFs的制备方法的普适性探究】

为了验证策略的普适性,使用另一种具有较高PEO/PPO比率的市售F127三嵌段共聚物作为模板合成Ce HMMOF-F。在优化条件下,成功地获得了具有不同形态和介孔结构的Ce-HMMOF-F(图3a)。通过XRD和SAXS确认了结构(图3b、S1和表S1和S3)。四个散射峰的q值分别为0.403,0.688,1.131和1.687,这四个散射峰可从SAXS图中分辨出来,则其堆积方式 Fm3m的面心立方(fcc)。在N2吸附等温线中观察到相对压力约为0.45时具有延迟毛细蒸发阶跃的H2型滞后回线,表明存在具有小入口的笼型介孔(图3c)。笼直径和总孔体积分别约为9.2 nm和0.64 cm3 g-1。通过SAXS计算出的单元参数a约为26.9 nm,则壁厚约为9.8 nm。扫描电镜照片显示,Ce-HMMOF-F的形貌为截短的八面体,大小在0.2-2 μm之间(图S9a)。在八面体的每一个面上都发现了均匀规则的孔排列(图3d和3e)。Ce-HMMOF-F沿不同方向的典型TEM图像如图3f-3h所示,进一步证实了有序立方介观结构的形成。典型表面的放大图像显示,孔隙在某一特定区域内呈现立方有序,但在整体视图中存在一些叠加断层(图3i),这可能是SAXS模式中较高阶反射强度相对较低的合理化。大型介孔通过观察具有代表性的高分辨透射电镜图像(图3j),可以清楚地看到CeUiO-66的晶格条纹。

华东理工大学林绍梁、顾金楼《德国应化》:基于三嵌段聚合物与离子协同效应制备有序介孔MOFs
Figure 3.(a)Ce-HMMOF-F(c)N2吸附等温线的形成过程及相应的BJH孔径分布(d),(e)从不同方向拍摄的Ce-HMMOF-F的SEM图像。(f-h)从不同方向拍摄的Ce-HMMOF-f的TEM图像。(i)Ce-HMMOF-F典型表面的放大扫描电镜图像。(j)CeHMMOF-F的高分辨透射电镜图像。

 

【有序介孔MOFs作为纳米反应器的应用】

具有有序介孔结构的MOFs为纳米反应器提供了可能。将分子大小约为4 nm的胰蛋白酶作为模型酶加载到Ce-HMMOFs中。根据紫外-可见光谱定量测定,Ce-HMMOF-P和Ce-HMMOF-F包埋胰蛋白酶的量分别约为304和281 μg mg-1。高负载能力和孔隙率的急剧降低表明胰蛋白酶被限制在介孔孔内,而不是吸附在外表面(图S10、S11和表S4)。此外,Ce-HMMOFs的孔径(约10 nm)是胰蛋白酶的两倍以上。

加载后,仍然有足够的空间让底物蛋白在通道内自由移动,随后被固定化胰蛋白酶生物催化剂消化(图4a)。以不同分子量的细胞色素c(Cyt-c,2.6×3.2×3.3 nm3)、肌红蛋白(MYG,4.5×3.5×2.5 nm3)和牛血清白蛋白(BSA,5.0×7.0×7.0 nm3)为模型底物,研究其消化效率。37 ℃摇瓶消解30 min后,用基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)分析胰蛋白酶消化物,结果如图4和表S5和S6所示。

与样品相比,经游离胰蛋白酶处理后,经胰蛋白酶化Ce-HMMOFs处理的样品显示出更高的序列覆盖率和更多的匹配肽,即使对于大尺寸的BSA(图S12和表S7和S8)。与传统的溶液消化耗时不同,蛋白质在大孔中的包埋会增加消化酶和底物的局部浓度,从而提高反应速率和效率(表S9)。

同时,孔壁上的微孔也可能促进所产生肽的扩散(图4a)。为了进一步验证胰蛋白酶固定化Ce-HMMOFs的稳定性和可重复性,以Cyt-c为模型蛋白进行了5次连续消化,所得产物经MALDITOF-MS分析,在前4个循环中,序列覆盖率没有明显下降,即使在第5个循环中,序列覆盖率也只是略有下降(图S13和S14),表明消化活性保持良好。因此,Ce-HMMOFs具有大的连接孔和良好的可重复利用性,使其成为蛋白质高效消化的理想纳米反应器。

华东理工大学林绍梁、顾金楼《德国应化》:基于三嵌段聚合物与离子协同效应制备有序介孔MOFs
Figure 4.(a)胰蛋白酶在Ce-HMMOFs中通道的固定化和蛋白质消化过程示意图。(b-g)胰蛋白酶化Ce-HMMOF-P(b-d)和Ce-HMMOF-f(e-g)处理(b,e)Cyt-c,(c,f)MYG和(d,g)BSA后胰蛋白酶消化的MALDI-TOF谱。C、M和B标记的峰分别代表Cyt-C、MYG和BSA捕获的肽。

 

全文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/ange.202006124

相关文章

微信