我国学者在金属有机框架薄膜成型加工方面取得进展

无忧课题
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2024-09-06 09:09:16

  图 褶皱MOF薄膜的独特性能、图灵形貌以及集成应用案例

  在国家自然科学基金项目(批准号:21908194、22178301、21938011)等资助下,浙江大学化学工程与生物工程学院赵俊杰研究团队在金属有机框架(MOF)薄膜的成型加工方面取得进展。研究成果以“可用于柔性集成的具有可调图灵图案的褶皱MOF薄膜(Wrinkled metal-organic framework thin films with tunable Turing patterns for pliable integration)”为题,于2024年8月9日发表在《科学》(Science)杂志上。论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn8168。

  MOF是一类多孔晶体材料,凭借其超高比表面积、可灵活设计的化学组成和易于调控的孔道结构,在分离、储能、传感、催化等领域展现出应用潜力。将MOF材料加工成连续、致密的薄膜能够更大限度地发挥其优势。然而,以往的MOF薄膜普遍又硬又脆,使这类材料面临着集成应用难的困境。

  为突破上述难题,该研究团队提出了一种限域界面合成方法,成功制备出一种全新的褶皱MOF薄膜。团队通过在原子层沉积(ALD)的氧化锌表面添加聚合物覆盖层的方式,构筑了一个限域反应空间。在这个空间内,合成MOF的反应试剂与氧化锌表面释放的碱性水解产物会进行相向扩散,同时发生化学反应。经过建模仿真和实验验证,团队发现通过调控“反应-扩散”条件,可制备出5类共十三种图灵图案,获得了形貌可调的皱褶MOF薄膜。引入褶皱结构不仅增加了MOF薄膜的有效表面积,而且提升了薄膜的力学性能,使其能够承受53.2%的应变并回复至初始状态。褶皱MOF薄膜还能够转移至有机玻璃、多孔陶瓷、金属电极等多种基材,实现“即插即用”。通过这种加工方式,研究团队制备出了基于MOF材料的气体分离膜,实现了氢气/二氧化碳的高效分离。此外,团队还将褶皱MOF薄膜转移到柔性电极上,制造出可弯曲的湿度传感器。该薄膜加工成型方法为MOF薄膜的应用提供了技术支撑。