李涛课题组开发出揭示MOF材料复杂结构的新方法

时间:2020-02-06浏览:10设置

多孔材料域的快速发展使得具有复杂结构的新材料不断涌现,然而如何通过表征手段来准确阐释所得材料的等级结构信息往往是新材料研究过程中的一大瓶颈。金属有机框架(metal-organic frameworks, MOFs)作为一类极具应用前景的多孔材料同样面临着这样的问题。不少研究发现,MOFs晶体中的官能团(域)(Functional domain)的空间分布直接关系到材料的吸附性能、化学稳定性以及在其他介质中的分散度,但是用常规的表征手段来研究化学官能团在MOFs材料中的分布相当困难,这一问题极大地阻碍了复杂结构MOFs材料的理性设计研究。

近日,我校物质学院李涛教授课题组开发了一种用于研究MOFs材料官能团域的新方法。该方法巧妙地利用了金盐在MOFs孔道内高温还原过程中易扩散和选择性沉积的特性来追踪识别层状MOFs(stratified MOFs)材料内的官能团域。该研究成果以“Tracking and Visualization of Functional Domains in Stratified Metal-Organic Frameworks Using Gold Nanoparticles”为题发表于国际知名学术期刊ACS Central Science。

该工作首先选取了一系列具有核壳结构的层状MOFs,并将氯金酸(HAuCl4)灌入MOFs孔道内。随后,MOFs孔道内的Au(III)在200℃氢气氛围下被还原为金纳米颗粒(Au NPs)并在MOFs的孔道之间自由扩散。由于不同官能团域对于Au NPs的表面有着不同的亲和力,Au NPs能够选择性地在“亲金”(Au-philic)的官能团域内进行结晶生长。得益于还原后的Au NPs的高衬度,层状MOFs的官能团域边界能在透射电子显微镜(TEM)下清晰地被勾勒出来。因此该方法被称之为Gold Diffusion Enabled Domain Identification(GDEDI)。GDEDI法在用来确定壳核MOF官能团域边界时能获得高达±1.5 nm的空间分辨率。甚至对于传统方法无法表征的一类壳核MOF: UiO-66-NH2@UiO-66-NO2,该方法依然可以实现对官能团域进行准确识别。本工作为研究具有复杂官能团域分布的MOFs材料(例如MTV-MOF、层状MOFs和渐变MOFs等)提供了新思路。

该课题的研究工作全部在上科大完成,上科大为第一完成单位。李涛课题组2017级硕士研究生秦雪迪为第一作者,李涛教授为通讯作者。该研究中密度泛函理论计算部分由物质学院Yongjin Lee教授课题组2018级硕士研究生邬家晟完成。电子显微三维重构(3-D TEM Tomography)实验由物质学院马延航课题组2016级本科生范亚奇完成,充分体现了物质学院交叉合作的良好氛围。该研究由国家自然科学基金青年科学基金和上科大启动基金等项目支持。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscentsci.9b01205

图1. 用金纳米颗粒识别官能团域的示意图


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