Metal-organic frameworks have received much attention in recent years especially as newly developed porous materials. As such, they possess a wide array of potential applications including materials for gas storage, gas/vapor separation, catalysis, luminescence, and drug delivery. In the review, these potential applications of metal-organic frameworks are examined and an outlook will be proposed.

A microporous metal-organic framework, PCN-14, based on an anthracene derivative, 5,5'-(9,10-anthracenediyl)di-isophthalate (H4adip), was synthesized under solvothermal reaction conditions. X-ray single crystal analysis revealed that PCN-14 consists of nanoscopic cages suitable for gas storage. N2-adsorption studies of PCN-14 at 77 K reveal a Langmuir surface area of 2176 m2/g and a pore volume of 0.87 cm3/g. Methane adsorption studies at 290 K and 35 bar show that PCN-14 exhibits an absolute methane-adsorption capacity of 230 v/v, 28% higher than the DOE target (180 v/v) for methane storage.

Holding gas: One of the isoreticular metal–organic frameworks (MOFs) that have been synthesized and characterized structurally, PCN-68 (see structure), has a Langmuir surface area of as high as 6033 m2 g−1. The MOFs also display excellent gas (H2, CH4, and CO2) adsorption capacity. Detailed facts of importance to specialist readers are published as ”Supporting Information”. Such documents are peer-reviewed, but not copy-edited or typeset. They are made available as submitted by the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

The targeted synthesis of 3D COFs has been considered challenging, especially adopting new topologies and bearing photoelectric units. Herein, for the first time, we report the synthesis and characterization of a novel 3D pyrene-based COF (3D-Py-COF), by selectively choosing the geometry of the precursors and the connection patterns. Based on X-ray diffraction measurement and detailed simulations, 3D-Py-COF is proposed to adopt a two-fold interpenetrated pts topology, which has never been reported before. In addition, 3D-Py-COF has a narrow pore size distribution and high surface area and also features selective absorption of CO2 over N2. Interestingly, due to the existence of isolated pyrene units in the 3D framework, 3D-Py-COF is the first fluorescent 3D COF and can be used in explosive detection. Our results not only show it is possible to rationally design and synthesize 3D COFs with other topologies but also demonstrate that the incorporation of photoelectric units into 3D COFs can allow the resulting materials with interesting properties.

We report a 2D layered metal–organic framework (MOF) with wide channels named NUS-1 and its activated analogue NUS-1a composed of Zn4O-like secondary building units and tetraphenylethene (TPE)-based ligand 4,4′-(2,2-diphenylethene-1,1-diyl)dibenzoic acid. Due to its special structure, NUS-1a exhibits unprecedented gas sorption behavior, glass-transition-like phase transition under cryogenic conditions, and responsive turn-on fluorescence to various volatile organic compounds. Our approach using angular ligand containing partially fixed TPE units paves a way toward highly porous MOFs with fluorescence turn-on response that will find wide applications in chemical sensing.

Enzymatic catalytic processes possess great potential in chemical manufacturing, including pharmaceuticals, fuel production and food processing. However, the engineering of enzymes is severely hampered due to their low operational stability and difficulty of reuse. Here, we develop a series of stable metal-organic frameworks with rationally designed ultra-large mesoporous cages as single-molecule traps (SMTs) for enzyme encapsulation. With a high concentration of mesoporous cages as SMTs, PCN-333(Al) encapsulates three enzymes with record-high loadings and recyclability. Immobilized enzymes that most likely undergo single-enzyme encapsulation (SEE) show smaller Km than free enzymes while maintaining comparable catalytic efficiency. Under harsh conditions, the enzyme in SEE exhibits better performance than free enzyme, showing the effectiveness of SEE in preventing enzyme aggregation or denaturation. With extraordinarily large pore size and excellent chemical stability, PCN-333 may be of interest not only for enzyme encapsulation, but also for entrapment of other nanoscaled functional moieties. Enzymatic catalytic processes have great industrial potential, although their application is hampered by stability and reuse issues. Here, the authors report metal-organic frameworks with rationally designed single-molecule traps for enzyme encapsulation, and evaluate the activity of the confined enzymes.

Two water-stable covalent organic frameworks (COFs) named NUS-2 and NUS-3 having two-dimensional (2D) layered structures with different pore sizes were synthesized. These COFs were exfoliated into nanosheets and even monolayers with high aspect ratio. They were subsequently blended with commercial polymers poly(ether imide) (Ultem) or polybenzimidazole (PBI) into mixed matrix membranes (MMMs) exhibiting highly homogeneous textures due to the excellent compatibility between COF fillers and polymer matrixes. Thanks to the selective gas sorption properties of the porous COF fillers, the prepared MMMs exhibited increased gas permeabilities with NUS-2@PBI demonstrating an excellent H2/CO2 permselectivity that exceeded the 2008 Robeson upper bound. Our approach of using exfoliated 2D COFs as porous fillers in MMMs paves a novel way toward the tailored synthesis of advanced composite membrane materials for clean energy and environmental sustainability.

Highly stable porous polymer networks (PPNs) are synthesized through Yamamoto homocoupling reaction between tetrahedral monomers. Among those polymers, PPN-4 shows exceptionally high Langmuir surface area of 10063 m2 g−1 (SABET: 6461 m2 g−1). It also exhibits ultra-high hydrogen (158 mg g−1), methane (389 mg g−1), and carbon dioxide (2121 mg g−1) storage capacities. These properties make it a perfect adsorbent for clean energy applications.

Gas guzzler: The introduction of polyamines in porous polymer networks results in significant enhancement of CO2-uptake capacities at low pressures. The best substituted network was found to exhibit high adsorption enthalpies for CO2 and the largest selectivity (see graph) of any porous material reported to date. It also had outstanding physicochemical stability and could be regenerated under mild conditions. Detailed facts of importance to specialist readers are published as ”Supporting Information”. Such documents are peer-reviewed, but not copy-edited or typeset. They are made available as submitted by the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

A porous polymer network (PPN) grafted with sulfonic acid (PPN-6-SO3H) and its lithium salt (PPN-6-SO3Li) exhibit significant increases in isosteric heats of CO2 adsorption and CO2-uptake capacities. IAST calculations using single-component-isotherm data and a 15/85 CO2/N2 ratio at 295 K and 1 bar revealed that the sulfonate-grafted PPN-6 networks show exceptionally high adsorption selectivity for CO2 over N2 (155 and 414 for PPN-6-SO3H and PPN-6-SO3Li, respectively). Since these PPNs also possess ultrahigh physicochemical stability, practical applications in postcombustion capture of CO2 lie well within the realm of possibility.