物質學院李濤課題組開發出揭示MOF材料復雜結構的新方法

ON2020-02-05文章來源 物質科學與技術學院CATEGORY新聞

多孔材料域的快速發展使得具有復雜結構的新材料不斷涌現,然而如何通過表征手段來準確闡釋所得材料的等級結構信息往往是新材料研究過程中的一大瓶頸。金屬有機框架(metal-organic frameworks, MOFs)作為一類極具應用前景的多孔材料同樣面臨著這樣的問題。不少研究發現,MOFs晶體中的官能團(域)(Functional domain)的空間分布直接關系到材料的吸附性能、化學穩定性以及在其他介質中的分散度,但是用常規的表征手段來研究化學官能團在MOFs材料中的分布相當困難,這一問題極大地阻礙了復雜結構MOFs材料的理性設計研究。

近日,我校物質學院李濤教授課題組開發了一種用于研究MOFs材料官能團域的新方法。該方法巧妙地利用了金鹽在MOFs孔道內高溫還原過程中易擴散和選擇性沉積的特性來追蹤識別層狀MOFs(stratified MOFs)材料內的官能團域。該研究成果以“Tracking and Visualization of Functional Domains in Stratified Metal-Organic Frameworks Using Gold Nanoparticles”為題發表于國際知名學術期刊ACS Central Science。

該工作首先選取了一系列具有核殼結構的層狀MOFs,并將氯金酸(HAuCl4)灌入MOFs孔道內。隨后,MOFs孔道內的Au(III)在200℃氫氣氛圍下被還原為金納米顆粒(Au NPs)并在MOFs的孔道之間自由擴散。由于不同官能團域對于Au NPs的表面有著不同的親和力,Au NPs能夠選擇性地在“親金”(Au-philic)的官能團域內進行結晶生長。得益于還原后的Au NPs的高襯度,層狀MOFs的官能團域邊界能在透射電子顯微鏡(TEM)下清晰地被勾勒出來。因此該方法被稱之為Gold Diffusion Enabled Domain Identification(GDEDI)。GDEDI法在用來確定殼核MOF官能團域邊界時能獲得高達±1.5 nm的空間分辨率。甚至對于傳統方法無法表征的一類殼核MOF: UiO-66-NH2@UiO-66-NO2,該方法依然可以實現對官能團域進行準確識別。本工作為研究具有復雜官能團域分布的MOFs材料(例如MTV-MOF、層狀MOFs和漸變MOFs等)提供了新思路。

該課題的研究工作全部在上科大完成,上科大為第一完成單位。李濤課題組2017級碩士研究生秦雪迪為第一作者,李濤教授為通訊作者。該研究中密度泛函理論計算部分由物質學院Yongjin Lee教授課題組2018級碩士研究生鄔家晟完成。電子顯微三維重構(3-D TEM Tomography)實驗由物質學院馬延航課題組2016級本科生范亞奇完成,充分體現了物質學院交叉合作的良好氛圍。該研究由國家自然科學基金青年科學基金和上科大啟動基金等項目支持。

論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscentsci.9b01205

圖1. 用金納米顆粒識別官能團域的示意圖