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研究开发解析电池材料结构的新方法

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58京牌 过去几年,一类名为金属有机骨架(MOF)的材料引起关注。这类材料在相关能源领域的应用潜力巨大,而且研究人员发现,这类典型的绝缘材料也可以制成导电材料。

(图片来源:MIT)

MOF材料将孔隙率和导电性完美结合于一体,为电池、燃料电池、超级电容器、电催化剂和专门的化学传感器开辟了新的应用前景。但是,开发特定属性MOF材料的进程一直很缓慢,在很大程度上,这是因为很难弄清楚它们的确切分子结构,及其如何影响材料性能。

,麻省理工学院(MIT)和其他机构的研究人员找到一种方法,可以控制若干种MOF晶体的生长,有可能生成足够大的晶体,以供测试并解析材料结构。这些结构类似于石墨烯等材料的二维六角形晶格。MIT的化学系教授Mircea Dincă表示,自从几年前首次发现导电MOF以来,许多团队一直致力于针对各类应用开发不同材料版本,“但是,没有人能够获得材料结构的更多信息。”他说,对这些结构了解得越透彻,“就能帮助你设计出更好的材料,而且开发速度更快。这就是我们现在所做的工作,首次以原子分辨率详细解析晶体结构。”

他说,要培育出大到足以进行此类研究的晶体,其困难在于MOF内部的化学键。这些材料由金属原子和有机分子组成的晶格组成,往往会形成弯曲的针状或线状晶体,因为在它们的六边形晶格平面上,原子之间的化学键很难形成,也很难打破。相比之下,垂直方向上的化学键要弱得多,因此断裂和重整的速度更快,从而导致结构上升的速度快于其扩散速度。由此产生的细长晶体过小,大多数可用工具都无法确定其特征。

该团队通过改变MOF中一种有机化合物的分子结构来解决这一问题,从而影响电子密度及其与金属相互作用的方式之间的平衡性。这能扭转键强度和生长速率不平衡的问题,从而形成更大的晶片。然后,使用一系列基于高分辨率衍射的成像技术,对这些较大的晶体进行分析。

Dincă表示,与石墨烯一样,寻找生产更大材料的方法,可能是释放这类MOF潜力的关键。起初生产石墨烯时,只能利用胶带从石墨块上剥离单原子厚度层体。但随着时间的推移,人们已经找出方法,可以直接生产出足够大和有用的薄片。Dincă说,希望此次研发的技术可以帮助MOF类似研究铺平道路。“这基本上为制造二维MOF大晶体提供了依据和蓝图。”

但与其他大多数导电材料不同的是,MOF导电材料类似于石墨烯,导电方向性很强:比起垂直方向,它们可以更加自由地沿着材料薄片平面进行传导。这种特性,再加上该材料具有非常高的孔隙率,使其成为电池、燃料电池或超级电容器电极材料的有力候选者。当其有机成分上附着一定的原子群,并与其他特定化合物相结合时,它们可以用作非常灵敏的化学探测器。

在电子和其他潜在应用方面,石墨烯和其他几种已知2D材料已经开辟了广泛的研究领域,但这些材料基本上具有固定属性。Dincă表示,与这些材料相比,MOF有很多类似属性,但又可能形成一系列具有不同属性的变体,因此,研究人员可以设计用于特定用途的特定类型材料。例如,对于燃料电池来说,他说,“你想要的是具有大量活性位点的东西,”以便在具有开放网状结构提供的大表面积上进行反应。或者,要让传感器监测二氧化碳等特定气体浓度,“你需要特定的、不会做出错误性引导的东西。”通过选择用于制造MOF的有机化合物进行设计,可以实现这些性质。

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