连续流应用案例-多孔材料的连续合成（一）

分子筛、金属有机骨架(MOFs)、共价有机骨架(COFs)等具有规则孔隙率的晶体多孔材料具有均匀的孔径分布、骨架通用性和化学多样性，可作为高吸附能力的吸附剂、高催化性能的催化剂。多孔材料的合成方法多种多样，其中水热法或溶剂热法是最常用的方法。包括MOF、COFs、沸石在内的多孔材料的传统合成一直以一锅法为主，即在常规电加热下通过水热/溶剂热/离子热反应进行大量混合，以高温和高压为标准。这些方法的缺点是操作时间长、效率低、依赖于批次的产物性质或者难以控制成核和颗粒生长的阶段。在传统合成方法的基础上发展了一系列新的方法，如微波辅助合成、电化学合成、机械化学合成、喷雾干燥和声化学合成等方法，以获得不同粒径、粒度分布和形貌的新化合物。通过综合利用这些方法，可以获得具有多样性结构和特殊孔径的晶体多孔材料，这些材料在能源效率方面表现出优异的潜力。

流动化学和连续流动系统近年来受到越来越多的关注，对于实验室规模的目的，可以使用注射器、柱塞泵或蠕动泵驱动流体通过反应器线圈或微通道反应器芯片，流体的停留时间由总流速和反应器体积决定。在某些情况下，这些系统采用惰性、非混相(通常是硅油)来分割流体，形成反应物溶液的“段塞”，防止颗粒聚集和通道堵塞，并进一步促进内部混合。微流体或流动化学系统的主要优点包括优异的传热（巨大的比表面积）和传质、停留时间地精确控制，提高自动化和合成反馈控制的机会，扩大反应和改进的安全参数。在连续流系统中，为了减少混合时间，可以通过增加流速、引入主动混合器或改变通道大小或结构来诱导湍流。也可以使用各种材料获得和制造一系列反应器配置。特定材料的流动合成可以通过增加反应器单元的数量(数增放大)或允许该过程简单地连续运行直到生产出足够的材料来更容易地扩大规模。以这种方式生产材料可以在不显著改变工艺和不影响产品质量的情况下实现。与釜式反应相比，这种流动过程通常在实验室空间使用方面效率更高，通常显示更高的时空收率(STYs)。因此，微通道装置和连续流系统在精细化工/制药、聚合物合成、生物传感、分析化学和催化等领域得到了广泛的应用。

        本文的主要目的是总结各种多孔材料的连续流合成，如金属有机框架(MOFs)、共价有机框架(COFs)、多孔有机笼和沸石(图1)。

图1：多孔材料流动合成示意图

表1：多孔材料和多孔有机笼的连续合成

1. MOFs的连续合成

1.1 MIL系列MOF

采用连续流动法制备了许多MIL系列MOF。MICIL -88系列包括FE-MIL-88B-NH2 (NH2)、FE-MIL-88B (4H)和FE-MIL-88B-Br (Br)，由Coronas等人采用分段流型连续流方法制备，粒径可控 [表1,36]。如图2所示，将带有硅油流的两种反应物流转移到混合区，然后注入到反应热区。停留时间范围从60秒到600秒，根据总流量的修改进行调整，保持微反应器体积和硅油/水相速率恒定，分别在20s、4min和6min后得到FE-MIL-88B-NH2、FE-MIL-88B和FEMIL-88B-Br。

图2：MIL-88系列连续合成PFD

除了超快的合成速率外，所得晶体明显小于1mm，粒径分布很窄。FE-MIL-88B-NH2的粒径随着停留时间从20s到600s的增加，从平均值180nm到900nm不断增大，分布的分散性也明显增强。

中金属前驱体水溶液的分散体和有机连接剂的连续油相通过”T”结引入连续流通道[表1,37]。不同停留时间制备的MOF空心球具有典型的球形形貌，尺寸可调，球形均匀，停留时间越长，结晶度越高(图3)。利用微流体技术，可以实现MOF的一锅合成，并在MOF形成过程中包裹生物分子。此外，微流控合成是连续的和可扩展的，并且能够控制MOF载体的大小和形状，以及实现多壳结构。

图3：连续合成不同尺寸MIL-88A单壳微胶囊的SEM图像，a）35mm；b）200mm；c）350mm

1.2 UiO-66和相似类

在连续流系统中制备UiO-66，通过控制停留时间，颗粒大小可以从几百纳米调整到几十纳米[表1,41]。将ZrCl4/DMF和1,4-苯二羧酸/DMF两股物料泵入微通道反应器，通过“T”型混合器在线混合后进入热反应区。待温度稳定后，气流顺利通过，收集0.1 mL/min ~ 0.5 mL/min不同流速的产物。在连续流系统中以不同速率获得的UiO-66纳米颗粒形状不规则，粒径从几百纳米减小到几十纳米，证实了只需调整停留时间即可很好地调节粒径。流动合成的UiO-66材料具有较高的热稳定性，较低的对称性，结构中含有丰富的缺陷区域，并且由于缺陷，材料的表面积增加。

针对UiO-66还开发了微波辅助连续流技术[表1,40,44]。微波辐射与连续流技术的结合提供了相当大的潜力，因为微波辐射是一种替代的加热方法。Ranocchiari等人在连续流微波反应器中对UiO66的原位高分辨率粉末X射线衍射进行了研究[表1,44]，发现合成过程可分为两个阶段，即晶粒尺寸增大的初步阶段和产品质量保持不变的稳定阶段。产品的收率和晶粒尺寸主要取决于H2O/AcOH的比例，在固定比例下增加添加剂的绝对量，较大晶粒的收率较高，而金属原液的时效则导致较小晶粒的收率较高。连续流与微波辅助加热相结合的合成方法也已应用于MIL-53(Al)和HKUST-1[表1,40]。计算出HKUST-1的时空收率为66,650 kg/(m3·day1)，并且保持相同的停留时间和功率，压力6bar，在17分钟内产出500mL反应混合物。当反应在连续流动条件下用传统加热代替微波辐照进行时，观察到时空收率下降(42,100 kg/(m3·day1))。

其他的Zr-MOFs也可以通过连续流合成[表1,48]，制备了四种不同配体和拓扑结构的ZR基MOF (MF-MOF-801, MFMOF-804, MF- DUT-67和MF-MOF-808)。与传统的溶剂热合成相比，通过连续合成得到的Zr-MOFs具有更高的结晶度和更均匀的形貌，并且比其他Zr-MOFs具有更高的CO2/N2选择性。其中，MF-MOF-801、MF-MOF-804、MF-DUT-67和MF-MOF-808的时空收率分别为367.2、247.1、114.3和136.4 kg/(m3·day1)。

利用连续流方法研究了UiO-66的功能化类似物[表1,41,45]。据报道，一种连续的、可扩展的基于纳米液滴的连续合成方法可以在纳米尺度上有效地合成具有所需官能团(例如，-COCH3，异硫氰酸荧光素FITC)的功能化UiO-66类似物(图4)[ 表1,41]。与釜式工艺相比，FITC功能化的UiO66-NH2在很短的时间内(1hr)得到。活性纳米UiO66-2-NH2颗粒被用来装载5-氟尿嘧啶进行给药[45]。制备的纳米UiO-66-2-NH2允许高达27%wt.的5-氟尿嘧啶上载，并且具有良好的缓释能力，在37℃的磷酸盐缓冲溶液(PBS)溶液中计算出的释放速率为0.27/hr。

图4：功能化示意图和SEM图像。

连续流动体系中的动态反应过程以扩散、强制对流和传质过程为主，这有助于限制二维MOF沿垂直方向的生长，被用于生产超薄2D ZrBTB纳米片(MF-ZrBTB)，其时空收率高达385 kg/(m3·day1) (图5)[表1,49]。获得了约3nm高的超薄多层纳米片。与溶剂热ZrBTB相比，MF-ZrBTB具有更高的BET表面积(1516±10 m2/g)，这是由于超薄隔离或分离纳米片的外表面积更大。由于表面积的增加，超薄MF-ZrBTB纳米片的气体吸附性能明显优于相应的溶剂热ZrBTB。

图5：连续流和常规溶剂热法制备ZrBTB的总体PFD

1.3 ZIF-8和相似类    

Kaskel研究在MeOH/NH3(aq)中合成时，该产品的产量高达640 g/天，相当于理论时空产量为210,000 kg/(m3·day)。模块化的过程设置允许轻松扩大到几公斤的范围。此外，通过修改反应和工艺条件，可以定制产品的微观(晶体形式和尺寸)和宏观形态(图6)。这种方法实现的高时空产率有利于定量生产，使这些材料更接近于更广泛的工业开发。

Schneider研究ZIF-8颗粒既可以在单相微流体系统(水作为唯一溶剂)中合成，也可以在多相流中合成，其中水滴被限制在烷烃中以实现狭窄的停留时间分布。微流控技术能够快速合成(10min)具有稳定的菱形十二面体形状的ZIF-8晶体在宽尺寸范围内(300-900nm)，仅需改变流速和温度，同时保持该材料的高比表面(1700 m2/g)以及晶状结构。当温度升高时，晶体尺寸增大(在25、50℃时，晶体尺寸分别为355±71nm和666±140 nm)，然后达到平稳期(在75和100℃时，晶体尺寸为738 nm)。

Watanabe、Miyahara使用中心碰撞式微反应器连续合成ZIF-8(图7)。分离的流体流在混合区相互碰撞，由于碰撞流体之间的剪切力而破碎成微米级的流体段，从而缩短了扩散距离，实现了快速均匀的混合。该合成是无添加剂的，可控制颗粒大小从50nm到2mm，颗粒形状从立方体到倒角立方体到菱形十二面体，只需调整进料溶液的浓度和反应温度。颗粒大小由微反应器中的混合过程决定，颗粒形状由混合后的温度控制。

图6：ZIF-8连续合成PFD

图7：中心碰撞式微反应器连续合成ZIF-8

未完待续！！

参考文献：Chinese Chemical Letters 31 (2020) 1448–1461