金属有机骨架(MOFs)宏量制备及MOF材料稳定性调控取得新进展
2014-12-22 15:05:53    点击:

金属有机骨架材料(MOFs)是一种由金属离子和有机配体形成的具有多孔性的晶体材料。近年来,因其多孔及高度有序结构,可以获得高比表面积的多孔碳材料,而广泛应用于能量转换和储存领域。该材料的存在形式通常是一种单分散的微晶或者纳米晶,以微孔的金属有机骨架纳米颗粒为结构单元构筑复杂组装体是非常困难的,同时其衍生的材料多数缺乏形貌和孔结构的有效控制。 

 

最近,中国科学技术大学微尺度国家实验室2012级博士生张旺在导师俞书宏教授的指导下,在该实验室近年来发展的多重模板法制备系列无机纳米线的工作基础上(Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1450-1461),以超细碲纳米线为模板,成功地指引了ZIF-8(一种典型的金属有机骨架材料)的生长,首次宏量制备了高长径比以及直径可控的金属有机骨架纳米纤维,并进一步将其转化为多孔氮掺杂碳纳米纤维。阴极电催化氧还原反应测试研究表明,这种多孔碳纳米纤维的电催化活性远高于直接碳化ZIF-8纳米晶制备的微孔碳材料。通过磷元素掺杂,发现共掺杂的碳纳米纤维具有优异的氧还原催化活性,半波电位达到 ~ -0.161 V (/Ag/AgCl),甚至高于商业铂碳催化剂的活性。该研究工作为制备新颖的金属有机骨架组装结构及其衍生的多孔碳材料或金属氧化物纳米材料提供了一种有效的合成路径。此成果以题为“Nanowire-Directed Templating Synthesis of Metal-Organic Framework Nanofibers and Their Derived Porous Doped Carbon Nanofibers for Enhanced Electrocatalysis”近期发表在美国化学会志上(J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 14385-14388)。 

 

超细纳米线模板法宏量制备金属有机骨架纳米纤维及衍生的多孔碳纳米纤维

 

 
通过表面疏水修饰后增强金属有机骨架材料对水或湿度的稳定性 

 

此外,为解决目前大多数金属有机骨架材料对水或湿度敏感而易引起结构变化并失去原有多孔性的实际问题,研究人员发现通过简单的气相沉积聚二甲基硅氧烷的技术,可在金属有机骨架晶体的表面上形成一层约10nm厚的聚二甲基硅氧烷保护层。使得原本亲水的金属有机骨架材料,转变成具有高度疏水的特性,从而阻隔了水分子的侵入。研究发现,这种表面保护层的形成不会影响金属有机骨架的晶体原有的结构、多孔性以及催化活性位点的可达性(accessibility),使得修饰后的MOFs能极好地维持其既有的气体吸附和催化能力。研究表明,该方法可广泛应用于多种MOF材料的表面疏水修饰,有效增强其对水(或湿度)的稳定性。该工作以“A Facile and General Coating Approach to Moisture/Water-Resistant Metal-Organic Frameworks with Intact Porosity”为题发表在美国化学会志上(J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 16978-16981)。这项工作由俞书宏教授研究组和江海龙教授研究组合作而完成,共同第一作者是博士生张旺和硕士生胡应立。  

 

上述研究受到国家重大科学研究计划项目、苏州纳米科技协同创新中心、中国科学院重点部署项目、国家自然科学基金委重点基金、国家青年千人计划等项目的支持。 

 

(微尺度物质科学国家实验室、化学与材料科学学院、苏州纳米科技协同创新中心、科研部)