徐强：超长单晶MOF纳米管

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研究亮点:

1. 开发了一种通过利用非晶态MOF纳米颗粒为前体来控制晶态MOF定向生长的策略，为合成和利用一维的超长单晶MOF纳米管提供了理论和实验基础。

2. 实现了对MOF衍生物结构、形貌和性能的控制，进一步拓展了MOF材料在电化学能源领域的应用。

研究背景

金属有机框架材料（MOF）具有高的比表面积、丰富的可调控孔道和可修饰的表面，使之成为了新能源材料领域的研究热点之一。近年来，MOF及其衍生物的合成和应用得到了飞速发展，被广泛应用于储氢，电池，催化，气体分离等领域。

对于MOF尺寸和形貌的精确控制依然面临极大挑战，尤其是对超长一维单晶MOF纳米材料的研究鲜有报道。

成果简介

有鉴于此，为了实现单晶MOF纳米管的定向生长，日本产业技术综合研究所(AIST)-京都大学能源化学材料开放创新实验室/扬州大学徐强教授团队报道了一种全新的非晶态MOF调控再结晶策略。

图1 超长单晶MOF纳米管的合成、表征以及大分子染料分离应用

通过调控非晶态MOF在溶剂中的溶解再结晶过程，不仅能严格控制MOF纳米晶的直径 (~70纳米)，而且还能使单个纳米晶的长度达30微米以上，从而得到长径比达400的超长单晶MOF纳米管。合成的单晶MOF纳米管能有效分离水溶液中的染料大分子，也可用于制备三维树突状碳纳米结构的前驱体。

材料制备过程

作者以金属盐和有机配体为原料，在室温下反应生成非晶态Co-MOF-74纳米颗粒，再经过可控的水热反应使非晶态纳米颗粒缓慢溶解（图1）。溶解后的金属离子和配体在合适的反应条件下沿[001]方向重新生长、再结晶，得到长径比达400的单晶纳米管。该纳米管由一组相互平行的，尺寸为~1.1纳米的通道构成，且所有的纳米通道构成一个单晶。液相色谱柱分离实验表明该超长单晶MOF纳米管能够有效地分离亚甲基蓝和罗丹明B混合液。

为进一步扩大一维纳米MOF的应用，作者以该MOF纳米管为前驱体，通过调控碳化过程，实现了对MOF衍生物的形貌控制。在氩气中直接碳化可获得一维Co/C纳米纤维；如果加入二氰胺作为辅助的氮源和碳源，Co/C纳米纤维上的Co纳米颗粒可催化碳纳米管的生成，从而得到三维树突状分级碳纳米结构材料。该树突状纳米结构以Co/C纳米纤维为骨架，外边缠绕着直径为二十到三十纳米，长度为几百纳米到几微米的碳纳米管，且碳纳米管的顶端固定有一个Co纳米颗粒。

ORR、锌空电池性能表征

最后，作者研究了该三维树突状分级碳纳米结构的ORR (oxygenreduction reaction)性能和锌空电池性能。实验结构表明，相对于其他同等条件下制备的碳纳米催化剂，由超长单晶MOF纳米管制备的三维树突状分级碳纳米结构具有更高的ORR催化活性和稳定性，并基于此组装成锌空电池后，表现出优异的电池放电和长时间多次可充性能。

总结

为实现对材料的尺寸和形貌控制，作者首次实现了非晶态MOF在不同溶剂中定向生长晶态MOF的策略，开辟了一条可控合成超长单晶MOF纳米管的新途径。这项成果不仅提供了一种全新的策略合成一维单晶MOF纳米材料，更为优化设计MOF衍生材料在电催化能源领域的应用提供了良好的借鉴。

参考文献：

Zou L, Hou C, Liu Z,et al. Superlong single-crystal metal-organic framework nanotubes[J]. Jouranl of the American Chemical Society,2018.

DOI:10.1021/jacs.8b09092

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b09092