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青年科学评述 | 液相外延层层浸渍组装金属-有机框架薄膜及其物理性能

已有 195 次阅读 2020-7-4 12:04 |系统分类:论文交流

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文章信息

液相外延层层浸渍组装金属-有机框架薄膜及其物理性能

Liquid phase epitaxial layer by layer dipping assembly of metal-organic framework thin films and their physical property

王大为, 谷志刚, 张健

物理学报. 2020, 69 (12): 126801


背景介绍

金属-有机框架(MOF)材料,又被称为多孔配位聚合物,是由金属离子或者金属团簇配位连接有机桥联配体而形成的一类新一代的多孔晶态材料。因其具有拓扑结构多样性、比表面积大、热稳定性好以及功能可调等优点,MOF在分子存储/分离、光学、电学、磁性、催化以及生物医学等领域有着重要的研究意义,中国学者对该领域的发展作出了突出的贡献。


基底表面组装的MOF薄膜具有高比表面积和丰富活性位点等特性,使得其在膜分离、膜器件和传感器方面的应用中显现出明显的优势,同时成为了MOF材料的新兴研究热点,为拓展和提高MOF的应用提供了更理想的材料选择,对于实现MOF的精确研究以及器件化应用具有重要的意义。尤其是通过液相外延技术在固体基底表面上层层组装的MOF薄膜(也称表面镶嵌MOF薄膜,SURMOF),因其具有厚度可调节、高度取向和表面均匀连续等优点,使其物理和化学性质的研究更为深入,并有效地应用在分离、催化、光学、传感器和器件等领域。尽管科学家们开始意识到MOF薄膜在化学、物理、材料、生物等领域有着广泛的应用前景,然而MOF薄膜材料在物理性能的研究和应用还存在很多有待攻克的难题。


文章导读

本综述首先介绍了液相外延层层浸渍组装MOF薄膜,该方法是一类通过液相外延法在基底表面层层自组装成高质量MOF薄膜(图1)。这种方法即通过在二维或三维的基底上修饰易于配位的官能团(羧基、羟基和吡啶基等),然后将基底交替地浸泡在金属离子或金属团簇的溶液和有机桥联配体溶液当中,每次浸泡过后用溶剂清洗,以除去表面未参与配位的反应物,可通过控制浸泡循环次数来控制MOF薄膜的厚度,最后在基底表面层层组装生长得到表面均匀平整的SURMOF。该制备方法具有精确可控的组装方式,适合制备连续、平整以及取向的MOF薄膜,也可以实现在薄膜的生长过程中在孔道中负载各种各样的功能分子以及制备异质结MOF薄膜或者层状复合材料。这类制备SURMOF的方法具有很多优点,比如可以通过浸泡循环次数精确控制薄膜厚度,拥有极低的表面粗糙度、可调控MOF的生长取向、可以利用逐层生长的特点研究MOF的生长过程以及在逐层生长过程中将各种功能的客体均匀嵌入到MOF的孔道中以获得新的物理化学性能等。


基于以上SURMOF的优点,本综述随后介绍了该类方法制备的SURMOF在物理性能方面的研究进展。首先,连续致密的SURMOF薄膜在电学性能方面具有独特的性质,负载的客体以及客体与框架之间的相互作用会在很大程度上改变SURMOF薄膜的电学性能,近几年很多研究者对其电导率、电输运性质等性质进行了深入的研究,并且取得了丰硕的成果。其次,高质量的SURMOF薄膜具有较小的光散射效应,使得其在光学器件领域有着广阔的应用前景。层层自组装的生长方式可以使SURMOF表现出与众不同的光学特性,包括非线性吸收性能和荧光性能。再次,SURMOF因其巨大的比表面积以及与衬底的紧密连接,因而具有丰富的催化活性位点和高效的电荷传输速率,在催化应用有着广阔的应用前景,近几年SURMOF电催化还原二氧化碳、产氢、产氧等方向已成为研究热点。此外,由于SURMOF具有逐层生长可调控等优点,非常适合制备异质结薄膜材料,对于研究异质结对材料物理性能的影响具有重要意义,近几年SURMOF异质结薄膜也成为了研究热点。SURMOF薄膜因其强大的负载能力被认为是新型的载体材料,可以实现分子级别的精准负载,所以最近几年SURMOF的研究重点变为各种客体功能分子的负载尝试,比如发光粒子、钙钛矿、晶体团簇等,纳米级别的负载也会产生各种奇特的物理性质,这也逐渐成为人们研究的重点。


本文总结了液相外延层层浸渍法组装MOF薄膜(SURMOF)的方法,并总结了SURMOF的物理性能,以及对SURMOF的应用前景进行了展望,为制备高质量MOF薄膜提供了一个可行的方法,并且通过此方法制备的薄膜在光学、电学、催化、气体分离等领域有着巨大的应用潜力。


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图1 液相外延层层浸渍组装金属-有机框架薄膜设备图和示意图


作者介绍


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谷志刚   中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室研究员、博士生导师。2014年获得德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)博士学位;2014—2015年在KIT从事博士后研究;2015年迄今,在中国科学院福建物质结构研究所工作。2018入选中国科学院青年创新促进会会员。目前担任青促会福建物质结构研究所小组组长、《功能高分子学报》青年编委。近年来一直从事液相外延生长表面配位聚合物薄膜(比如SURMOF)在光学、负载与分离以及手性化学等方面的研究。迄今为止已发表SCI论文60余篇,包括以第一或通信作者在国际权威杂志Chem. Soc. Rev., Coord. Chem. Rev., Angew. Chem., Chem. Sci., ACS Nano, Nat. Commun., Small, J. Mater. Chem. A, Sci. China Chem., ACS Appl. Mater. Interfaces (6篇), Chem. Commun.等发表30余篇。主持国家自然科学基金(面上和青年项目)、福建省自然科学基金、结构化学国家重点实验室课题。


全文链接:

http://wulixb.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7498/aps.69.20200274

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