▲第一作者：陈超龙、王聪、郑秀英
通讯作者：曹阳、孔祥建、张瑞华
通讯单位：厦门大学
论文DOI：10.1021/jacs.3c05336
01
全文速览
研究团队设计了一系列化学式为{Ln4(μ4-O)(μ3-OH)3(INA)3(GA)3(H2O)6}n的金属-有机框架（MOFs），即Ln4-MOFs（Ln = Gd、Tm和Lu，INA = 异烟酸，GA = 羟基乙酸）。这些MOFs在复杂、多变和严苛的条件下，如高温、强酸碱和高电场环境下表现出极高的稳定性和导电性能，导电各向异性值高达4000倍，可用于超级电容器、燃料电池、电催化剂和传感器等领域，以及在信息存储方面有潜在应用。
02
背景介绍
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如超级电容器、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、多变且严苛的，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材料是否能够长期稳定地高效工作提出了挑战。
03
本文亮点
（1）基于该Ln4-MOF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。
（2）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。
（3）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%。
04
图文解析
▲图1. Ln4-MOFs的晶体结构和形貌
要点：
（1）Gd4-MOF晶体为六棱柱单晶，其阳离子的3D框架由相邻的1D链条组成，通过强烈的π-π堆积作用（3.351 Å）和氢键相互作用（2.750 Å）连接，从而形成一个内径为14.5 Å的1D通道。
（2）沿着c轴方向形成紧密的π-π堆积结构，作为有效的导电传输路径。
▲图2. Ln4-MOFs制备的单晶电学器件和电学性质
要点：
（1）Gd4-MOF晶体材料在c轴和a轴方向上呈现电学各向异性，数值高达4000多倍。
（2）Ln4-MOF晶体材料中，c轴方向的π-π堆积距离越小，电导率越高。
▲图3. Ln4-MOFs在不同环境下的结构稳定性和导电稳定性
要点：
（1）PXRD图像和N2吸附-脱附图显示Ln4-MOF晶体在不同环境下结构能保持稳定性。
（2）Ln4-MOF材料在高温以及不同pH溶液中均能保持电学的稳定性。
05
总结与展望
本工作设计了一种全新的Ln4-MOFs导电MOF材料，展现了其在高压、不同pH溶液和极端温度条件下的卓越稳定性。电子沿着晶体间π-π堆积结构传输，通过调整芳香碳环堆积之间的距离，实现了导电性的可调节。该研究为设计耐用且导电的MOF材料提供了新途径，预计将推动其在多个领域的应用，包括复杂多变的酸碱条件下的催化反应，以及产生局部高温环境的电子设备中。同时，研究还发现电子在不同晶体方向上传输的各向异性极强，这对于需要各向异性连接的新型电子设备设计，例如各向异性信息存储纳米器件等，具有重要意义。
06
通讯作者介绍
曹阳教授，厦门大学化学化工学院教授及萨本栋微纳米研究院双聘教授，博士生导师。2012年北京大学博士毕业。随后在英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究院进行博士后研究。2017年入选国家海外引进高层次青年人才，福建省闽江学者特聘教授及福建省高校领军青年人才。主要研究兴趣为新型二维材料异质结构及其在催化、新能源、电子、材料领域的应用基础研究。主持科技部重点研发计划青年项目等多项国家级科研项目，在Science，Nature Nanotech., Nat. Comm.等国际知名学术期刊上发表论文70余篇，迄今总引用7500余次。
孔祥建，厦门大学教授、博士生导师。主要从事稀土及稀土-过渡金属团簇的合成、组装机理及性能研究。迄今在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Matter、Nat. Commun.、Natl. Sci. Rev.、Proc. Natl. Acad. Sci. USA.、Acc. Chem. Res.等国际知名学术刊物上发表SCI论文110余篇，被引7000余次。曾获教育部高等学校科学研究优秀成果奖一等奖、教育部青年长江学者、国家优秀青年科学基金、中国化学会青年化学奖和全国百篇优博等奖励与项目支持。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c05336
转自：“研之成理”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
