Small:金属中心和有机配体决定金属有机框架的电催化传感性能

金属-有机框架(MOFs)是以金属离子或金属簇为中心和有机配体配位自组装而形成的一类多孔杂化材料。MOFs由于其大的比表面积、高的孔隙率、不饱和的金属位点、可调控的结构和功能等优势已成功用于电化学传感领域。有机配体和金属中心的类型和配位方式很大程度上决定了MOFs的化学和物理性质,因此可以采用不同的金属中心和有机配体来调节MOFs的形态、类型以及活性位点的数量等,进而调控电催化和传感性能。

最近,华中科技大学吴康兵教授课题组与锡根大学杨年俊教授课题组合作,从理论和实验上研究了金属中心和有机配体对MOFs的电催化传感性能的影响。选用不同的金属中心(Cu或Zn)和不同的配体(2-甲基咪唑(2-MI)或 1,3,5-均苯三甲酸(H3BTC)),设计并合成了三种MOFs(Cu-2MI、Cu-BTC、Zn-2MI,见图1)。电化学实验表明,具有多孔结构的2D Cu-2MI纳米片比块体的Cu-BTC以及十二面体的Zn-2MI表现出更大的活性面积、更快的电子转移能力和更强的吸附能力。这是因为2D Cu-MOFs纳米片具有更高的导电性、更多暴露和可接近的活性位点以及更小的扩散屏障,更有利于电化学传感。密度泛函理论计算以及旋转圆盘电极测试表明,2D Cu-2MI对黄嘌呤(XA)、孔雀石绿(MG)和次黄嘌呤(HXA)具有最强的吸附能(Eads)和最大的异相电子交换速率常数(k0),从而表现出最强的电催化活性与信号增强效应。基于此,建立了一种同时测定XA、MG和HXA的高灵敏电化学方法,并成功用于鱼肉样品分析。本工作可为设计更灵敏的MOFs电催化传感体系提供一定的参考和借鉴。

图1 2D Cu-2MI、块状Cu-BTC和十二面体Zn-2MI的合成示意图

华中科技大学化学与化工学院吴康兵教授与锡根大学杨年俊教授为本论文的共同通讯作者,华中科技大学化学与化工学院博士生李草灵为本论文第一作者。此研究受到了国家自然科学基金(No. 21976062 & 21775050)的支持。

论文信息:

Metal Centers and Organic Ligands Determine Electrochemistry of Metal–Organic Frameworks

Caoling Li, Jian Shen, Kangbing Wu*, Nianjun Yang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202106607

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202106607