雖然金屬有機骨架（MOFs）在各個領域都顯示出巨大的潛力，但MOFs粉末或晶體形式嚴重限制了其加工和使用，將MOFs加工成分層宏觀材料可以大大拓寬其實際應用價值。然而，由於所製備的材料孔隙往往被堵塞，加工過程會降低MOFs的吸附和催化能力，同時機械穩定性也會降低。因此，需要新的方法來提高成形性、質量載量和性能。
迄今為止，實現這一目標的合成策略包括：1.通過摻雜預先合成的MOFs形成共混膜；2.通過溶膠-凝膠法形成金屬-有機凝膠；3.採用2D/3D結構負載MOF顆粒。
然而，這些方法難以控制載體內部MOFs的組成，造成MOFs嚴重聚集，載量低（通常為30%），不明確的分層孔隙度和差的載體成型性等嚴重後果。最近，研究人員通過引入柔性聚合物載體進一步探索了策略3，獲得了一些有希望的MOF氣凝膠和泡沫，具有理想的力學性能和較高的MOFs載量（50-81%）。然而，如果直接將預合成的MOF加入到載體中，結果也是可想而知：MOF的聚集不可避免。為了解決此類問題，一般通過在模板上原位生長MOF減少聚集，但控制成核過程仍然具有挑戰性，因為模板表面最初生長的MOF層會阻止前驅體向內進一步擴散，從而在模板內部成核和生長變得困難。此外，目前的原位MOF生長方法往往與載體的製備密切相關，限制了每個載體材料獨自調整結構性能的能力。由於這些方法調整的侷限性，如果再想在這些載體中引入更多的功能性成分變得難上加難。
近日，美國康奈爾大學Alireza Abbaspourrad教授報道了一種簡單策略，使MOF納米顆粒能夠均勻地分散在具有大孔隙類似蜘蛛網的網絡結構中，即使在載量高達86wt%也是如此，從而確保具有良好的吸附和催化能力。相關論文以題為“Spiderweb-Like Metal-Organic Framework Multifunctional Foam ”發表在Angew. Chem. Int. Ed.上。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201916211
基於以上的問題，在本工作中展示了一種新的策略，它可以很容易地控制MOF的載量、尺寸、組成、空間分佈已經限制其在一個分層宏觀生物材料中。具體來講，作者首先將MOFs原位固定在殼交聯微球上，然後離心/冷凍乾燥，在高內相乳液（HIPE）模板中製備泡沫。優點在於本文的策略依賴於生物大分子的交聯形成能夠以非團聚體方式限制MOFs微球，以及MOFs和載體的獨立合成最大限度地提高材料性能的可調整性。當使用纖維素納米纖維（CNFs）和牛血清白蛋白（BSA）作為交聯材料，能夠設計出一種具有明確的中孔/大孔MOF泡沫，其中豐富的單個MOF納米顆粒可以均勻地分佈在蜘蛛網狀的納米纖維網絡上。這種獨特的三維分層結構負載高達86wt%的MOF，同時保持良好的分散性、高比表面積和易製備性，顯著地改善MOF的性能。
同時，與以往將MOF與HIPEs結合起來的概念形成鮮明對比，本文的方法單獨製備MOF和HIPE模板，因此MOF載量不影響HIPE的形成，即使在高含量的情況下也是如此。這消除了HIPE穩定性差和MOF分佈不均勻的問題（在之前的方法中，即使載量為20 wt%的情況下，MOF也會引起HIPE的相位反轉）。此外，這種獨立的合成方式，使其他功能成分能夠直接結合（例如疏水聚合物和金屬/金屬氧化物納米材料）進入HIPE模板，賦予MOF更多的功能。基於以上的優點，
本文提出的策略為未來設計MOF多功能材料和為各種應用製備合適的分層結構打下了堅實的基礎。 圖1. 設計類似蜘蛛網的ZIF-8泡沫的原理圖
圖2. ZIF-8在殼交聯微球上的固定化及HIPEs的形成
圖3. ZIF-8泡沫的表徵
圖4.ZIF-8泡沫功能化：超疏水PS@ZIF-8和金屬/金屬氧化物@ZIF-8複合泡沫
在本文中，作者通過HIPE模板化策略合成了一種適合於大部分MOFs和生物聚合物的，具有獨特介孔-大孔的MOF泡沫。製備工藝簡單，環保和適合在室溫以及傳統實驗室中大規模生產。這項研究結果為MOF宏觀材料領域提供了一些可借鑑的地方：包括MOF納米顆粒在高載量下具有良好分散，良好的分層多孔體系，能夠獨立控制MOFs的功能和載體的大孔間隙，以及容易賦予MOF複合材料其他功能性作用。這一策略為設計基於MOF的複合材料在現實生活中的應用提供了巨大的潛力。
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