具有超高稳定性的导电镧系金属有机框架化合物的设计和电学性质研究
日期：
2023-08-17
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近日，我院曹阳教授与孔祥建教授在具有超高稳定性的导电镧系金属有机框架设计研究中取得重要进展，相关研究成果以“Conductive Lanthanide Metal−Organic Frameworks with Exceptionally High Stability”为题发表于Journal of the American Chemical Society上（DOI: 10.1021/jacs.3c05336）。具有高电子传导性能的金属-有机框架（MOFs）材料被越来越多地应用于超级电容器、燃料电池、电催化剂和传感器等领域。然而，这些应用涉及的实际工作环境（包括电场强度、pH和温度等）通常是复杂、多变、严苛的。例如，在电催化过程中，通常需要强酸或强碱环境，而且随着反应的进行，催化剂表面的电场强度和温度会不断升高，这些都对导电MOFs材料的稳定性、高效性提出了挑战。基于此，研究团队构建了一系列化学式为{Ln4(μ4-O)(μ3-OH)3(INA)3(GA)3(H2O)6}n的MOFs（简称为Ln4-MOFs，Ln = Gd、Tm和Lu，INA =异烟酸，GA =羟基乙酸）。基于该材料制备的单晶电学器件，沿单晶不同轴向其导电性呈现出高达4000倍的差异，导电各向异性值高于大部分报道的类似器件。Ln4-MOFs单晶高导电轴向上，芳香环紧密排列形成π-π堆积结构，作为有效的导电传输路径，且π-π堆积间距可以通过镧系收缩效应替换不同镧系元素进行调节，进一步提高材料导电性能。更为重要地，器件在不同的溶液pH值范围内（1-12）、高温度下（373 K）和高达800000 V/m的电场等严苛测试条件下，其电导率和晶体结构仍能保持长时间稳定，即超过12小时电导率波动小于16%。这种超高的稳定性可能来源于高价镧系金属离子与异烟酸（INA）上的羧基形成强配位键，且异烟酸上的氮原子与相邻氧原子之间形成丰富的氢键相互作用进一步稳定了电子传输路径。本工作构建的镧系MOFs为设计高度稳定的导电MOFs材料并推动其实际应用打下了坚实基础。同时，该系列化合物表现出的高导电各向异性有望在信息存储等方面得到应用。该研究工作在我院曹阳教授、孔祥建教授和张瑞华博士（现为美国西北大学博士后）的共同指导下完成。我院2020级博士生陈超龙、2022级博士生王聪和2014级博士生郑秀英（现为安徽大学副教授）为共同第一作者，龙腊生教授和郑兰荪院士提供了相关指导，浙江工业大学庄桂林教授完成了理论计算相关工作，2021级硕士研究生许依玲参与了部分工作。该研究工作得到国家重点科技发展计划项目（2022YFA1505200、2018YFA0306900）、国家自然科学基金项目（21872114、 92163103、 21871224、92161104、92161203、21721001）、中央高校基本科研业务费专项资金（20720210009）的支持。
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