金屬有機框架(MOFs)材料是一類新興的多孔材料,其獨特的孔道結構、可修飾性和穩定性等諸多性質引起了人們很大的研究興趣。基于這些特殊的性質,MOFs在氣體存儲/分離、催化、傳感等方面有著重要的應用。然而,大多數MOFs內部缺乏自由的載流子,因而導電性較差,這很大地限制了其電化學應用。如何制備導電性能優良的MOFs逐漸成為該領域的研究熱點。近日,清華大學化工系張如范副教授團隊對目前導電MOFs的制備與應用的進展進行了綜述,并對導電MOFs材料的未來發展進行了展望。
文章先介紹了相關MOFs的導電機理及測量方法,導電機理主要包括:Band transport、Hopping transport、Intervalence charge transfer和Constructing MOFs composites。根據MOFs材料的導電性及形態的不同,測量方法可以分為2-contact probe法、4-contact probe法、4-point probe法和van der Pauw法。其次,作者系統歸納了導電MOFs的合成方法,包括直接合成法和后合成修飾法,其中,直接合成法主要包括:選擇多價金屬離子、設計特定有機配體以及與導電材料的復合,后合成修飾法主要包括:引入金屬團簇和配合物、結合有機物、封裝聚合物、添加導電添加劑以及特定氛圍下的煅燒處理。無論是直接合成法還是后合成修飾法,都可以**降低MOFs材料內部的電荷傳輸能壘,從而提高導電性。在機理研究和合成方法的基礎上,作者對近年來發展的具有多孔性、高比表面、結構可控等諸多優良性質的導電MOFs在化學傳感器、光伏器件、二次電池、超級電容器、電催化等領域的應用進行了簡要概括。
導電MOFs的設計合成方法
導電MOFs在各個領域的應用
作者對導電MOFs的未來發展進行了展望。MOFs作為一類重要的有機-無機雜化材料,到目前為止已經得到了大量的研究,其較差的導電性大大限制了MOFs材料的應用。在已知的眾多MOFs中,導電MOFs所占的比例非常小,但是導電MOFs在傳感器、儲能、電催化等領域展現出非常大的應用潛力,新型導電MOFs的設計合成和應用研究已勢在必行,這也為我們在MOFs領域的研究帶來了新的機遇與挑戰。作者認為,新型導電MOFs的構筑將主要圍繞活性配體和結構的設計合成、引入活性客體以及與其它導電物質進行復合等幾個方面展開,此外,結合理論計算揭示導電機理可以進一步促進導電MOFs的發展。隨著導電MOFs的進一步發展,其在傳感器、儲能、電催化等諸多領域的應用必將會越來越廣泛,從而大大促進MOFs材料的發展。
本研究以綜述形式成果在線發表于Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.202000396)。