Small-咖啡环效应启发制备仿生穆雷金属有机框架

金属有机框架材料近年来被发现许多奇异的性质并引起了人们极大的研究兴趣,这类材料是由金属离子与有机分子配位自组装形成,广泛应用于催化,气体存储,能源等领域。但对于电化学领域来说,其较差的导电性,受限的传输速率,复杂的制备方法以及粉体的存在形式制约了其应用。那么如何能够采用简单的方法来制备出薄膜状的金属有机框架材料,有效调控其形貌,并提升其性能?

 

自然界总是如此神奇,许多自然结构是我们仿生灵感的来源。人类的肺,血管,植物的叶脉,根系,昆虫的呼吸系统等等,都有着相似的结构,它们由小孔连接中孔,中孔连接大孔,依次类推。这种自相似结构称为穆雷结构,传输效率最高,是由自然界进化而来。基于此,一个合理的推测是穆雷结构的金属有机框架薄膜具备极佳电化学性能。但是问题又来了,我们如何通过简单方法来合成出穆雷结构分级多孔的金属有机框架薄膜?我们仍然要继续寻找思路。大道至简,生活中的很多物理现象同样也是我们灵感的来源,启发着我们去思考与探索。想象一个这样的场景:一滴咖啡滴在一张纸上,等挥发了以后,就会留下一个圆圈,这就是著名的咖啡环效应。基于此,我们采用咖啡环效应在基底材料上组装许多打孔(圈)出来,然后再进一步在大孔上创造出介孔和微孔结构。

华中科技大学化学院刘宏芳课题组,基于穆雷规则制备了穆雷结构的金属有机框架薄膜,并进行了一些探讨:采用改性的A4纸作为一种柔性的衬底,由咖啡环效应,在纸上蒸发驱动组装出氢氧化铜纳米线形成的圆圈,并进一步由异质外延自组装生长铜基的金属有机框架薄膜。由于晶轴匹配的缘故,得到的穆雷结构的薄膜高度定向,蒸发驱动组装形成的圆圈,作为大孔,转化形成的金属有机框架线之间的间隙作为介孔,而MOFs本身是一种微孔材料,最后形成的薄膜满足穆雷规则,由数学模型网络矩阵进行进一步机理解释,电化学性能极佳,可作为一种汗液电化学双功能检测乳酸和葡萄糖传感器材料。研究者相信,此项研究为制备仿生型MOFs打开了一扇窗,也为新型汗液可穿戴传感器提供了一种新的思路。本文的第一作者为王正运博士,通讯作者为刘宏芳教授,相关结果发表在Small(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.201802670)上。

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