研究人员破译有前途的金属有机骨架的结构

在过去的几年中，一类称为金属有机骨架或MOF的材料在各种潜在的与能源相关的应用中引起了人们的极大兴趣-特别是因为研究人员发现这些典型的绝缘材料也可以制成导电材料。

由于MOF将孔隙率和电导率出色地结合在一起，这一发现为在电池，燃料电池，超级电容器，电催化剂和特殊化学传感器中的新应用开辟了可能性。但是，开发具有所需特性的特定MOF材料的过程很慢。这主要是因为很难弄清它们的确切分子结构以及它如何影响材料的性能。

现在，麻省理工学院和其他机构的研究人员找到了一种控制几种MOF晶体生长的方法。这样就可以产生足够大的晶体，以供一系列测试探测，使团队最终可以解码这些材料的结构，类似于石墨烯之类的二维六角形晶格。

麻省理工学院以及，和瑞典其他大学的20人研究小组今天在《自然材料》杂志上对这些发现进行了描述，该论文由麻省理工学院化学系的WM Keck能源教授MirceaDincă领导。

Dincă说，自从几年前首次发现导电MOF以来，许多团队一直在努力开发适用于许多不同应用的版本，“但没人能获得如此详细的材料结构。” 他说，对这些结构的细节了解得越好，“它可以帮助您更快地设计出更好的材料。这就是我们在这里所做的：我们提供了原子分辨率下的第一个详细的晶体结构。”

他说，生长足以进行此类研究的晶体的困难在于MOF内部的化学键。这些材料由易于形成弯曲的针状或线状晶体的金属原子和有机分子的晶格组成，因为在其六边形晶格平面中连接原子的化学键较难形成且较难断裂。相比之下，垂直方向的键弱得多，因此以更快的速度保持断裂和重整，从而导致结构的上升速度快于其散布的程度。所得的刺状晶体太小，无法用大多数可用工具表征。

该团队通过改变MOF中一种有机化合物的分子结构来解决该问题，从而改变了电子密度的平衡以及它与金属相互作用的方式。这扭转了结合强度和生长速率的不平衡，从而允许形成更大的晶体片。然后，使用高分辨率的基于衍射的成像技术对这些较大的晶体进行分析。

Dincă说，与石墨烯一样，寻找生产更大片材的方法可能是释放这种MOF潜力的关键。最初，石墨烯只能通过使用胶带从一块石墨上剥离单原子厚的层来生产，但是随着时间的流逝，人们已经开发出了直接生产足够大的片材的方法。Dincă说，希望是这项研究中开发的技术可以帮助为MOF的类似进展铺平道路。

他说：“这基本上为制造二维MOF的大型晶体提供了基础和蓝图。”

与石墨烯一样，但与大多数其他导电材料不同，导电MOF对其导电性具有很强的方向性：与垂直方向相比，它们沿着材料片的平面自由得多地导电。

这种特性，再加上材料的极高孔隙率，使其成为电池，燃料电池或超级电容器的电极材料的强大候选者。而且，当其有机成分具有连接到某些特定化合物上的某些原子团时，它们可以用作非常灵敏的化学检测器。

石墨烯和少数其他已知的2-D材料为电子和其他领域的潜在应用打开了广泛的研究领域，但这些材料具有基本固定的特性。Dincă说，由于MOF具有许多这些材料的特性，但是形成了具有不同特性的各种可能的变化，因此它们应该使研究人员能够设计出特定用途所需的特定种类的材料。

他说，例如，对于燃料电池，“您想要的东西具有很多活性位点”，以便在具有开放晶格结构的结构所提供的大表面积上具有反应性。或者，对于监视二氧化碳等特定气体水平的传感器而言，“您想要的是特定的且不会产生假阳性的东西”。他说，可以通过选择用于制造MOF的有机化合物来设计这些性质。

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