【材料】分级多孔导电MOF薄膜助力高效异相界面传质

多孔膜材料在自然界和工业生产应用中广泛存在，并起着重要作用。在多孔膜材料参与的诸多异相反应体系中，例如电化学能源存储、异相催化、化学电阻传感等，界面传质（固-液、固-气等）是影响其界面反应动力学的关键因素，但往往受限于缓慢的浓度梯度驱动的分子扩散，导致界面传质效率较低，应用性能远低于理论期望。这主要是因为受到无滑移边界条件影响，流体在多孔材料表面对流速度趋于零，多孔材料与流体之间形成边界层。基于上述研究难题，通过多孔膜材料设计打破边界层影响，提高界面传质效率，成为当前一个研究热点和难点。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通过团队合作发展了一种“分级结构加速界面动力学”策略（hierarchical-structure-accelerated interfacial dynamic, HSAID），实现了多孔导电金属有机框架（conductive metal-organic frameworks, c-MOFs）膜材料表面气相物质的快速输运，从而显著提高化学电阻传感器件性能。

近日，该合作团队通过设计具有分级空心的导电金属有机骨架（c-MOF）薄膜，有效地打破了传统的边界层，提高了界面的传质速度并获得高性能的化学电阻传感器。分级空心c-MOF薄膜是通过使用传统的三维MOFs薄膜（ZIF-8或ZIF-67）作为牺牲模板，与π-共轭配体（六羟基联苯（HHTP）或八羟基酞菁铜（PcCu-(OH)8））原位转化而来。得到的高结晶c-MOF薄膜同时具有本征的纳米多孔壳（~1.2 nm）和中空空腔（~500 nm）。气体渗透性测试和计算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）。这一工作提供了一种通用的c-MOF合成策略，用于构建分级多孔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。

图1. “分级结构加速界面动力学”策略。

来源：Nat. Commun.

分级空心 c-MOF 薄膜材料是利用三维不导电的 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）室温反应得到的。

图2. 分级空心c-MOFs制备策略。

来源：Nat. Commun.

基于分级空心c-MOF薄膜的化学电阻传感器在室温下对50 ppm氨气的响应速度为9.1秒，比传统块状薄膜快了10倍，也优于其他报道的化学电阻传感器。

图3. 传感器性能。

来源：Nat. Commun.

这一成果近期发表在Nature Communications 上。文章的第一作者为德累斯顿工业大学黄川辉博士（洪堡学者）、浙江大学尚兴隆博士及天津理工大学周新愿副教授。作者感谢华南理工大学丁力博士、中科院化学所陈翔宇博士、德国亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫研究中心李自超博士在测试上提供的帮助和支持。

该工作得到国家自然科学基金委员会、泰山学者青年专家计划、德国基金委、欧盟科学委员会、洪堡基金会等支持。

转自：“闪思科研空间”微信公众号

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