金屬有機骨架材料（Metal–Organic Frameworks，簡稱MOFs）是一類由金屬離子或金屬簇通過有機配體連接形成的多孔晶態(tài)材料（如圖1）。它們的結(jié)構(gòu)可視作“金屬節(jié)點＋有機橋梁"的三維網(wǎng)絡(luò)，既具無機材料的穩(wěn)定性，又具有機化學(xué)的可設(shè)計性。憑借這種靈活的構(gòu)筑方式，MOFs 幾乎可以由元素周期表中任意金屬與多種類型的配體（如羧酸、咪唑、膦酸等）組成，從而實現(xiàn)孔徑、極性及化學(xué)環(huán)境的精確調(diào)控。

圖1 金屬有機骨架示意圖

MOFs的基礎(chǔ)表征數(shù)據(jù)通常包括：粉末X射線衍射（PXRD）圖譜，用于確定材料的結(jié)晶性和相純度；氮氣（N₂）吸附/脫附等溫線，用于驗證材料的孔隙結(jié)構(gòu)并計算其表觀比表面積。

此外，常用的補充表征技術(shù)和方法還包括：

• 熱重分析（TGA），用于評估MOFs的熱穩(wěn)定性，并在某些情況下用于估算孔體積；
  

• 水穩(wěn)定性測試，用于判斷MOFs在水中及不同pH環(huán)境下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；

• 掃描電子顯微鏡（SEM），用于測量晶體尺寸和形貌，并可結(jié)合能量色散X射線光譜（EDS）分析元素組成與分布；

• 核磁共振（NMR）光譜，用于分析樣品的整體純度，并可定量混合配體MOFs中的配體比例；

• 電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP-OES），用于測定樣品純度及元素比例；

• 漫反射紅外傅里葉變換光譜（DRIFTS），用于確認(rèn)框架中紅外活性官能團的存在或缺失；

• 單晶X射線衍射（XRD），可提供材料的精確結(jié)構(gòu)信息。

以下將簡要介紹每種表征技術(shù)的樣品制備與數(shù)據(jù)分析要點。

1.粉末X射線衍射（PXRD）

PXRD用于判斷材料的晶型與相純度。通過將實驗衍射圖譜與基于單晶XRD數(shù)據(jù)模擬得到的圖譜進(jìn)行對比，可確認(rèn)材料的相純度。樣品通常以粉末形式壓片或裝入毛細(xì)管中測定，并在測試過程中旋轉(zhuǎn)以避免特定取向造成的峰強差異。若衍射峰明顯展寬，通常表明晶粒尺寸較小而非結(jié)晶度差。

2.氮氣吸脫附等溫線分析

氮氣（N₂）吸脫附等溫線在77 K下測定，用于確認(rèn)材料的孔隙結(jié)構(gòu)、計算比表面積與孔容，并輔助判斷孔徑分布。為保證測量可靠，測試前樣品需充分活化以去除孔內(nèi)溶劑，且樣品用量關(guān)鍵——通常樣品質(zhì)量（克）與比表面積（m²/g）的乘積應(yīng)不少于100 m²。數(shù)據(jù)分析中，通常采用BET模型計算表面積，通過選取等溫線的線性區(qū)并滿足Rouquerol準(zhǔn)則，可獲得準(zhǔn)確的表面積結(jié)果。選區(qū)不當(dāng)可能導(dǎo)致比表面積偏差高達(dá)數(shù)倍（見圖2、表1）。國儀量子Climber及SiCOPE系列儀器提供BET一鍵智能選點功能，可自動識別正確線性區(qū)，消除人為偏差，即使是MOFs材料也能獲得可靠BET結(jié)果。

孔徑與孔容分析則多采用密度泛函理論（DFT）模型或BJH模型，其中DFT方法被廣泛用于MOFs的孔結(jié)構(gòu)分析，尤其適用于孔徑約為2 nm或更小的介孔與微孔體系。國儀量子SiCOPE系列微孔分析儀配備MOFs專用NLDFT模型及多種BJH修正方法，為高精度孔徑分析提供可靠保障。若實驗孔徑分布與晶體結(jié)構(gòu)模型存在明顯差異，可能提示框架缺陷、孔道堵塞或部分塌陷。吸脫附滯后環(huán)（hysteresis）亦可反映結(jié)構(gòu)柔性或吸附質(zhì)誘導(dǎo)的孔結(jié)構(gòu)變化。

3.熱重分析（TGA）

TGA用于評估材料的熱穩(wěn)定性及估算孔道中溶劑可及孔體積。測試載氣（如N_2、空氣或O₂）會顯著影響分解行為，應(yīng)在報告中說明。結(jié)合變溫PXRD或吸附實驗，可進(jìn)一步驗證熱處理后結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對于含溶劑樣品，TGA中溶劑失重部分可粗略反映孔體積，但應(yīng)注意因殘留或提前蒸發(fā)造成的誤差。

4.掃描電子顯微鏡（SEM）

SEM用于觀察晶體形貌與尺寸，并可結(jié)合能譜（EDS）分析元素組成及分布。由于MOFs多為絕緣體，易產(chǎn)生電荷積累導(dǎo)致成像偽影，通常需鍍導(dǎo)電層（如金或鋨）。電子束加速電壓的選擇也會影響圖像分辨率與表面細(xì)節(jié)：高電壓可獲得更清晰的晶體輪廓，但易損失表面信息甚至引起局部結(jié)構(gòu)損傷。EDS定量分析時需避免鍍層元素信號干擾，如鋨鍍層中常含釔雜質(zhì)，可能與目標(biāo)金屬峰重疊。

5.其他輔助表征

ICP-OES/MS：用于定量分析金屬比例及檢測雜質(zhì)或浸出情況。樣品需經(jīng)酸消解完全溶解后再測試。

NMR光譜：通過消解法測定有機配體比例、殘留調(diào)節(jié)劑及溶劑去除情況；固態(tài)NMR則可探測框架中配體化學(xué)環(huán)境及分子相互作用。

DRIFTS紅外漫反射光譜：用于確認(rèn)框架中特征官能團，并可在載氣或變溫條件下研究吸附行為。

綜上，多手段表征的結(jié)合能夠從結(jié)構(gòu)、孔隙及化學(xué)組成等多個維度揭示MOFs材料的完整特征，為性能分析與機理研究提供可靠依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

1.Rouquerol 等，《粉體與多孔固體材料的吸附：原理、方法與應(yīng)用》，第14章，Academic Press，2015。

2.Howarth等，Chem.Mater.2017,29,26-39.DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b0262