Small Methods:焦耳热工程普适性超快制备金属-有机复合物纳米片

1、研究背景:

金属有机复合物(MOC)是由无机金属离子与有机配体配位络合架构成的一维、二维或三维的分子网络,凭借其独特的有机-无机共价杂化结构,突破了纯有机/无机的物性局限,具有孔径可设计、组分易调控、化学和热稳定性优异等特点,在气体分离、药物输送、化学催化和离子存储等领域引起了广泛的研究兴趣。其中,二维金属有机复合物具有丰富的反应活性位点、特殊的电子传导限域,有利于开发轻薄、灵敏的现代电子设备,广泛的应用于电荷传输与存储领域。然而目前用于二维金属有机复合物的构筑策略往往存在产量低、污染大、能耗高以及步骤繁琐等问题。因此,探索一种绿色、高效的二维金属有机复合物构筑机制与宏量化制备方法具有重要的科学研究意义和工程应用价值。

2、文章概述:

南京工业大学朱纪欣教授团队提出了一种微波场下焦耳热诱导金属离子与有机分子快速络合的机制,在60 s内构筑千克级5 nm超薄且成分可调的MOC纳米片(M = Co、CoNi 和 CoFe)。不同于传统的有机溶剂体系下的反应,少量的水用作唯一的引发剂,并在后期自蒸发脱除,突破了原有的除杂提纯步骤带来的工业效率低、环境危害大等局限,实现了安全绿色化学的制备工艺。在微波场空间辐射下,离子传导损失实现快速热效应,诱导尿素小分子催化缩合成富含N的长链有机配体与金属离子配位形成稳定的MOC分子网络,同时强烈的自逸出气体释放调制超薄二维结构自组装。并且所合成的超薄Co-MOC纳米片在500和1000 mA g-1的电流密度下,经过1200和2300次充放电循环过程仍表现出360 和330 mA h g-1 的优异锂离子存储性能。该技术对于探索二维金属有机纳米片高效制备机制与方法及新型锂离子储能机制具有指导和借鉴意义。

3、图文概述:

图1. MOCs的微波快速配位工程及自调节反应诱导二维结构自组装示意图

图2. MOCs的表征(a) Co-MOC; (b) CoFe-MOC和(c) CoNi-MOC。a1, a2, b1, b2, c1, c2. MOCs的扫描电镜图。a3,b3,c3. MOCs的元素分布图。a4,b4,c4. MOCs的厚度测量图。

图3. a. 不同反应时间的红外热成像。b. Co-MOC反应前后红外光谱图。c. MOCs的拉曼光谱图。d. MOCs的紫外吸收光谱图。e. MOCs的N 1s XPS光谱图。f. MOCs的O 1s XPS光谱图。g. MOCs的红外光谱图。 h. MOCs中金属元素含量图。

图4. a. Co-MOC在不同扫描速率下的CV曲线。b. 1 mV s-1扫速下的电容分析。c. 不同扫描速率下电容贡献比。d. Co-MOC储能过程示意图。e. Co-MOC在不同电流密度下的循环性能。

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朱纪欣教授于2005年获得安徽大学学士学位,2008年获得中国科学技术大学硕士学位,2012年获得新加坡南洋理工大学博士学位。2012-2015年先后于美国莱斯大学、德国慕尼黑工业大学创新中心和德国马普学会胶体与界面所从事研究工作,2016年加入到南京工业大学先进材料研究院。主要从事能源电子材料与器件和柔性电子材料与器件等研究工作。目前,在J. Am. Chem. Soc., Nano Lett., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Appl. Physic. Rev.等期刊上发表SCI论文170余篇,被引用11000余次,H因子60,ESI高被引论文15篇;申获发明专利10余件;科睿唯安“全球高被引作者”。

论文信息:

Ultrafast Universal Fabrication of Metal-Organic Complex Nanosheets by Joule Heating Engineering

Feng Xu, Yanping Zhou, Xingwu Zhai, Hongjian Zhang, Haodong Liu, Edison Huixiang Ang, Yufei Lu, Zhentao Nie, Min Zhou, Jixin Zhu*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202101212

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202101212