Advanced Functional Materials:多级定向组装MOFs助力水蒸发产电

水在特定的界面上蒸发能够产生流动电位,因此可以将空气的内能转化为电能。得益于这种绿色、简单的能源转换方式,水蒸发产电技术近年来受到了广泛关注。金属有机框架(metal-organic frameworks)作为一种晶态材料,由于其可控的拓扑结构与孔道环境,在水蒸发产电中具备前景。然而纯MOFs材料的结构与产电性能之间的构效关系尚不明朗。因此,为MOFs材料创建合理的设计原则有助于帮助我们来揭示其中的内在关联,为此领域奠定理论基础。

围绕多级结构的本质“More is different”和电动效应这一水蒸发产电的原理,华中科技大学化学与化工学院刘宏芳教授等人报道了基于多级定向组装的MOFs设计理念。作者利用一维纳米MOFs的强电子耦合效应,将沿孔朝向的一维纳米结构的Cu(BDC-OH)定向组装成跨越两个长度数量集的三维密排几何体,发现这种Cu(BDC-OH) MOFs三维组装体应用于水蒸发产电时可以在室温条件下产生0.6 V的开路电压和1.56 nW cm-2的输出功率。

通过对比实验和有限元分析,耦合能斯特-普朗克方程与斯托克斯方程发现,这种多级有序的排列方式能够发挥“电压放大”作用。这源自于多级定向毛细管的聚集作用,该三维定向组装结构能够将大量的流动电荷汇聚于器件顶端。由密度泛函计算发现,Cu(BDC-OH)中尚未配位的羟基能够自发的吸附水中的氢氧根离子,这对于提升Cu(BDC-OH)组装体的平均表面电荷密度有着重要意义。同样微纳组装结构的CuBDC由于缺乏孤立的羟基,所产生的电压较Cu(BDC-OH)为低。电化学阻抗拟合的结果显示Cu(BDC-OH)多级组装体展现出更高的双电层电容,这意味着更多的含氧基团暴露,这对于提升输出电压意义非凡。该工作从微纳层面和配位结构层面明晰了MOFs结构与产电性能的构效关系,为MOFs的水蒸发产电应用奠定了一种合理的设计规则。

图(A) 基于Cu(BDC-OH) 和CuBDC多级定向组装体的水流发电器件所产生的开路电压;(B)Cu(BDC-OH)多级有序组装体和块状无序中的不同毛细管;(C)有限元分析得到的不同毛细管的平均表面电荷密度与电压之间的关系;密度泛函计算氢氧根离子与水分子在(D)Cu(BDC-OH)和(E)CuBDC晶体中的吸附;(F)Cu(BDC-OH)与CuBDC多级定向组装体以及Cu(BDC-OH)无序块体的电化学阻抗谱图;(G)Cu(BDC-OH)中可能存在的两种边缘结构。

本论文第一作者为华中科技大学化学与化工学院博士后王正运博士,通讯作者为华中科技大学化学与化工学院刘宏芳教授。

论文信息:

Hierarchical Oriented Metal–Organic Frameworks Assemblies for Water-Evaporation Induced Electricity Generation

Zhengyun Wang, Yule Wu, Kunqi Xu, Lipei Jiang, Jiankang Sun, Guangyi Cai, Guangfang Li, Bao Yu Xia, Hongfang Liu*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202104732

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104732