冯新亮院士/董人豪教授/胡国庆教授《自然·通讯》：超快响应！分级多孔导电MOF助力高效传感

人类利用多孔材料的历史非常悠久，最早可以追溯到古埃及金字塔建造中大量使用的多孔木头，也包括现代社会大量使用的分子筛和活性炭。但是研究发现，在多孔膜材料参与的诸多异相反应体系中，例如电化学过程、异相催化、化学电阻传感等，两相界面传质（固-液、固-气等）往往受限于缓慢的分子扩散，导致界面传质效率较低。这主要归因于流体受到无滑移边界条件影响，在多孔材料表面对流速度趋于零，从而在多孔材料与流体之间形成边界层。如何打破这一边界层，提高界面传质效率一直是一个研究难题

近日，德累斯顿工业大学冯新亮院士、山东大学董人豪教授、浙江大学胡国庆教授等团队合作，一起发展了一种“分级结构加速界面动力学”策略(hierarchical-structure-accelerated interfacial dynamic,简称HSAID)，不仅实现了分级多孔导电金属有机框架（conductive metal-organic frameworks，简称c-MOFs）膜材料表面气相物质的快速输运，而且基于该薄膜制备了具有超快氨气响应的化学电阻传感器件。

巧妙的设计原理

多孔材料表面之所以会产生边界层，深层次的原理是因为材料本征的低渗透性。如果找到一种方法能够有效提高多孔材料的渗透性，即有望打破这个边界层。研究人员设想把传统多孔薄膜做成分级空心结构，通过增加材料孔隙率，进而增加材料的渗透性。

简便通用的材料制备

研究人员发展了一种简便高效的分级空心结构制备策略。通过将三维绝缘的 MOF（ZIF-8、ZIF-67）作为前驱体，与π-共轭有机配体（六羟基联苯、八羟基钛菁）室温下反应，轻而易举的制备得到了分级空心导电c-MOF 薄膜材料。

优异的界面传质，超快的传感响应

一系列气体渗透性测试和流体动力学模拟表明，分级空心结构的引入使得c-MOF薄膜气体渗透性增加了8.4倍，从而提高了气体分子向薄膜材料表面运动速度，比传统块状薄膜高出7倍以上。与块体薄膜（通过水热法合成）相比，基于分级空心c-MOF薄膜的化学电阻氨气传感器响应速度提高了10倍。在室温下的响应时间仅为9.1 s，优于先前报道的化学电阻氨气传感器的响应速度（≥35 s）。

该工作提供了一种通用的合成策略，用于构建分级空心多孔c-MOF纳米结构，不仅提高了界面物质传递，加速异相反应，也有望进一步应用于实现高性能器件。

团队介绍

冯新亮

https://www.x-mol.com/university/faculty/31110

董人豪

https://faculty.sdu.edu.cn/dongrenhao1/zh_CN/index.htm

胡国庆

https://www.x-mol.com/university/faculty/304119

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！