近日，北京理工大学国家阻燃材料工程技术研究中心杨荣杰教授课题组在金属有机框架阻燃剂制备技术方面取得重要进展，相关成果相继发表在国际顶级期刊《Chemical Engineering Journal》（影响因子15.1），北京理工大学为第一通讯单位，潘也唐副教授为通讯作者。

金属有机框架材料（MOFs）是由金属离子和有机配体配位形成的永久性开放的晶体框架，因其高比表面积、规则的孔结构、良好的机械和热稳定性以及可控的物理化学性质，近年来也被应用于阻燃高分子材料领域。课题组在超声预处理条件下，巧妙地利用沸石咪唑酯骨架材料ZIF-67和ZIF-67释放的Co²⁺形成的氢氧化钴作为双成核位点（模板）负载环交联聚磷腈。借助磷腈缩聚生成的HCl蚀刻ZIF-67和氢氧化钴，最终获得了具有不同维度和尺寸的聚磷腈杂化物CPPHS，用于阻燃环氧树脂（EP）。阻燃剂包含的P-N-Co元素发挥了协同阻燃作用，过渡金属元素钴与聚磷腈高度交联的P-N结构有利于炭层致密化，有效地阻碍了热流传播以及可燃气体的交换。此外，维度错配结构使得CPPHS在基体中的分散性大大增强，进而提高复合材料的机械性能（图1）。研究成果以“Dual nucleation sites induced by ZIF-67 towards mismatch of polyphosphazene hollow sub-micron polyhedrons and nanospheres in flame retardant epoxy matrix”为题(https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144278），该工作以潘也唐副教授和耿志帅副研究员为共同通讯作者，硕士研究生宋小宁为第一作者。

图1. (a) CPPHS合成示意图；(b) 透射电镜图片；(c)透射电镜及相应的元素分布图；(d) 环氧复合材料的热释放速率和总热释放曲线；(e) 维度错配结构促进分散机理图

含有过渡金属的多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）具有优异的阻燃性能。课题组以水溶性钴-聚乙烯吡咯烷酮（Co-PVP）络合物为模板和钴源，首先在其表面生长钴-金属-有机框架（Co-MOF），然后使用Na-POSS的水溶液作为结构导向剂和刻蚀剂，在负载POSS的同时去除模板，从而得到具有空心柱状结构的POSS-MOF纳米复合阻燃剂Co-MOF@POSS。该阻燃剂在环氧树脂中实现了均匀分散，而且能够促进炭层快速形成，从而带来良好的阻燃和抑烟效果。过渡金属Co的存在可催化聚合物表面炭层的形成，而POSS热解后形成的SiO₂又可以进一步增强炭层的强度，在Co-N-Si的多元素协同阻燃作用下，聚合物表面形成了坚固且致密的炭层，从而有效阻隔了燃烧过程中物质的传递（图2）。研究成果以“Fast char formation induced by POSS confining Co-MOF hollow prisms in epoxy composites with mitigated heat and smoke hazards”为题（https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145682），该工作以潘也唐副教授和张文超副教授为共同通讯作者，硕士研究生韩政德为第一作者。

图2. (a) Co-MOF@POSS的合成示意图；(b-e) Co-MOF@POSS的SEM图像、TEM图像及相应的元素扫描图；(f) 环氧复合材料的热释放速率和总热释放曲线；(g)阻燃机理图

此外，课题组还综述了MOFs在阻燃环氧复合材料中的最新研究进展，包括纯MOFs、MOFs衍生物、功能化MOFs以及基于MOFs和其他功能组分的协同体系。分析了MOFs基阻燃剂的改性策略和阻燃效率，重点分析了不同组分的阻燃机理。最后，对MOFs基阻燃剂未来发展的机遇和挑战进行了总结和展望。这项工作有望帮助研究人员快速了解该领域的最新进展，并指导他们进行有效的MOFs阻燃剂的设计（图3）。综述以“Metal-organic frameworks-based flame-retardant system for epoxy resin: A review and prospect”为题（doi.org/10.1016/j.cej.2023.143653），该综述以潘也唐副教授和何吉宇教授为共同通讯作者，博士研究生宋昆朋为第一作者。

图3. MOFs阻燃剂的综述示意图

附作者简介：

潘也唐，长聘副教授、博士生导师。2018年于马德里理工大学取得博士学位后加入北京理工大学材料学院阻燃中心。长期从事阻燃高分子纳米复合材料的研究，是最早开展金属有机框架阻燃剂研究的科研人员之一，近年来围绕该方向取得了一系列研究成果，发表论文60余篇，先后主持中国博士后面上基金项目、国家自然科学基金青年、面上项目等。曾获首届中国博士后创新创业大赛铜奖，指导学生获“互联网+”中国国际大学生创新创业大赛两届国赛金奖。