【材料】分级多孔导电MOF薄膜助力高效异相界面传质- 大数跨境

X-MOL资讯

2023-07-14

导读：近日，德累斯顿工业大学冯新亮院士、山东大学董人豪教授、浙江大学胡国庆教授等通过团队合作发展了一种“分级结构加速界面动力学”策略，实现了多孔导电金属有机框架膜材料表面气相物质的快速输运，从而显著提高化学

多孔膜材料在自然界和工业生产应用中广泛存在，并起着重要作用。在多孔膜材料参与的诸多异相反应体系中，例如电化学能源存储、异相催化、化学电阻传感等，界面传质（固-液、固-气等）是影响其界面反应动力学的关键因素，但往往受限于缓慢的浓度梯度驱动的分子扩散，导致界面传质效率较低，应用性能远低于理论期望。这主要是因为受到无滑移边界条件影响，流体在多孔材料表面对流速度趋于零，多孔材料与流体之间形成边界层。基于上述研究难题，通过多孔膜材料设计打破边界层影响，提高界面传质效率，成为当前一个研究热点和难点。近日，德累斯顿工业大学冯新亮院士、山东大学董人豪教授、浙江大学胡国庆教授等通过团队合作发展了一种“分级结构加速界面动力学”策略（hierarchical-structure-accelerated interfacial dynamic, HSAID），实现了多孔导电金属有机框架（conductive metal-organic frameworks, c-MOFs）膜材料表面气相物质的快速输运，从而显著提高化学电阻传感器件性能。

近日，该合作团队通过设计具有分级空心的导电金属有机骨架（c-MOF）薄膜，有效地打破了传统的边界层，提高了界面的传质速度并获得高性能的化学电阻传感器。分级空心c-MOF薄膜是通过使用传统的三维MOFs薄膜（ZIF-8或ZIF-67）作为牺牲模板，与π-共轭配体（六羟基联苯（HHTP）或八羟基酞菁铜（PcCu-(OH)₈））原位转化而来。得到的高结晶c-MOF薄膜同时具有本征的纳米多孔壳（~1.2 nm）和中空空腔（~500 nm）。气体渗透性测试和计算流体动力学模拟表明，分级空心结构的引入使得c-MOF薄膜气体渗透性增加了8.4倍，从而提高了气体分子向薄膜材料表面运动速度，比传统块状薄膜高出7倍以上。与块体薄膜（通过水热法合成）相比，基于分级空心c-MOF薄膜的化学电阻氨气传感器响应速度提高了10倍。在室温下的响应时间仅为9.1 s，优于先前报道的化学电阻氨气传感器的响应速度（≥35 s）。这一工作提供了一种通用的c-MOF合成策略，用于构建分级多孔c-MOF纳米结构，不仅提高了界面物质传递，加速异相反应，也有望进一步应用于实现高性能器件。

图1. “分级结构加速界面动力学”策略。图片来源：Nat. Commun.

分级空心 c-MOF 薄膜材料是利用三维不导电的 MOF（ZIF-8、ZIF-67）作为前驱体，与π-共轭有机配体（六羟基联苯、八羟基钛菁）室温反应得到的。

图2. 分级空心c-MOFs制备策略。图片来源：Nat. Commun.

基于分级空心c-MOF薄膜的化学电阻传感器在室温下对50 ppm氨气的响应速度为9.1秒，比传统块状薄膜快了10倍，也优于其他报道的化学电阻传感器。

图3. 传感器性能。图片来源：Nat. Commun.

这一成果近期发表在Nature Communications 上。文章的第一作者为德累斯顿工业大学黄川辉博士（洪堡学者）、浙江大学尚兴隆博士及天津理工大学周新愿副教授。作者感谢华南理工大学丁力博士、中科院化学所陈翔宇博士、德国亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫研究中心李自超博士在测试上提供的帮助和支持。

该工作得到国家自然科学基金委员会、泰山学者青年专家计划、德国基金委、欧盟科学委员会、洪堡基金会等支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Hierarchical conductive metal-organic framework films enabling efficient interfacial mass transfer

Chuanhui Huang, Xinglong Shang, Xinyuan Zhou, Zhe Zhang, Xing Huang, Yang Lu, Mingchao Wang, Markus Löffler, Zhongquan Liao, Haoyuan Qi, Ute Kaiser, Dana Schwarz, Andreas Fery, Tie Wang, Stefan C. B. Mannsfeld, Guoqing Hu, Xinliang Feng & Renhao Dong

Nat. Commun., 2023, 14, 3850. DOI: 10.1038/s41467-023-39630-y

导师介绍

冯新亮

https://www.x-mol.com/university/faculty/31110

董人豪

https://faculty.sdu.edu.cn/dongrenhao1/zh_CN/index.htm

https://www.x-mol.com/university/faculty/69068

胡国庆

https://www.x-mol.com/university/faculty/304119