Small Methods:导电金属有机框架材料的设计、合成及应用

金属有机框架(MOFs)材料是一类新兴的多孔材料,其独特的孔道结构、可修饰性和稳定性等诸多性质引起了人们极大的研究兴趣。基于这些特殊的性质,MOFs在气体存储/分离、催化、传感等方面有着重要的应用。然而,大多数MOFs内部缺乏自由的载流子,因而导电性较差,这极大地限制了其电化学应用。如何制备导电性能优良的MOFs逐渐成为该领域的研究热点。近日,清华大学化工系张如范副教授团队对目前导电MOFs的制备与应用的进展进行了综述,并对导电MOFs材料的未来发展进行了展望。

文章首先介绍了相关MOFs的导电机理及测量方法,导电机理主要包括:Band transport、Hopping transport、Intervalence charge transfer和Constructing MOFs composites。根据MOFs材料的导电性及形态的不同,测量方法可以分为2-contact probe法、4-contact probe法、4-point probe法和van der Pauw法。其次,作者系统归纳了导电MOFs的合成方法,包括直接合成法和后合成修饰法,其中,直接合成法主要包括:选择多价金属离子、设计特定有机配体以及与导电材料的复合,后合成修饰法主要包括:引入金属团簇和配合物、结合有机物、封装聚合物、添加导电添加剂以及特定氛围下的煅烧处理。无论是直接合成法还是后合成修饰法,都可以显著降低MOFs材料内部的电荷传输能垒,从而提高导电性。在机理研究和合成方法的基础上,作者对近年来发展的具有多孔性、高比表面、结构可控等诸多优良性质的导电MOFs在化学传感器、光伏器件、二次电池、超级电容器、电催化等领域的应用进行了简要概括。

导电MOFs的设计合成方法

导电MOFs在各个领域的应用 最后,作者对导电MOFs的未来发展进行了展望。MOFs作为一类重要的有机-无机杂化材料,到目前为止已经得到了大量的研究,其较差的导电性大大限制了MOFs材料的应用。在已知的众多MOFs中,导电MOFs所占的比例非常小,但是导电MOFs在传感器、储能、电催化等领域展现出非常大的应用潜力,新型导电MOFs的设计合成和应用研究已势在必行,这也为我们在MOFs领域的研究带来了新的机遇与挑战。作者认为,新型导电MOFs的构筑将主要围绕活性配体和结构的设计合成、引入活性客体以及与其它导电物质进行复合等几个方面展开,此外,结合理论计算揭示导电机理可以进一步促进导电MOFs的发展。随着导电MOFs的进一步发展,其在传感器、储能、电催化等诸多领域的应用必将会越来越广泛,从而大大促进MOFs材料的发展。

本研究以综述形式成果在线发表于Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.202000396)