Forskere udvikler en modulær metal-organisk ramme med højeste elektronladningsmobiliteter nogensinde observeret

MOF'er - eller metalorganiske rammer - er meget tilpasselige porøse netværksfaste stoffer med bure, der kan komme i mange størrelser og kan tiltrække og indeholde en række kemiske komponenter, såsom kuldioxid, metan, og brintgasser. Og det er denne alsidige specificitet, der giver MOF'er så meget potentiale til anvendelse i næste generations batterier og i kulstoffangst, blandt en voksende liste. På trods af deres mange positive træk, deres åbne, porøs struktur - som holder på elektroner - er ikke ideel til applikationer, der kræver, at elektroner frit strømmer med ioner (ladede partikler) gennem en enhed for at skabe en elektrisk strøm.

Nu, et hold ledet af forskere ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og UC Berkeley har udviklet en teknik til at lave en elektrisk ledende MOF, der også kunne bruges til at forbedre ledningsevnen af ​​andre MOF'er. Arbejdet blev anmeldt i Naturmaterialer .

For at omgå MOF'ers iboende lave elektriske ledningsevne, forskerne tilføjede en kaliumkemisk blanding til en jernbenzendipyrazolat (BDP) MOF. De ekstra elektroner, der produceres under denne reaktion, kan derefter komme ind i MOF's jerncenter og lede elektricitet ved at hoppe langs længden af ​​en krystalakse af de stavformede krystaller. Jerncentret fungerer som en ledning, der er i stand til at lede elektricitet.

De fleste MOF'er nedbrydes, når de udsættes for kalium, men jern BDP MOF har robuste trekantede kanaler, der holdt stand under en række tests, hvor hver reaktion øgede materialets elektronantal, indtil maksimal ledningsevne for det pågældende materiale blev nået, resulterer i en MOF, der leder elektricitet op til 10, 000 gange bedre end før den gennemgik kaliumreaktionerne. "Det er utroligt, at denne arkitektur, en gang indbygget i en mikron-størrelse transistor-lignende enhed, gjorde det muligt for os at måle elektrontallet, når det steg med hver efterfølgende kaliumreaktion, " sagde Jeffrey Long, senior fakultetsforsker i Materials Sciences Division ved Berkeley Lab og professor i kemi og kemisk og biomolekylær teknik ved UC Berkeley, der fungerede som studiets hovedforfatter.

En anden udfordring i denne undersøgelse var at dyrke MOF'erne, så deres atomer først er perfekt justeret - elektroner skal bevæge sig i en lige vej for at generere elektricitet - og derefter forbinde disse mikron-størrelse enheder for at måle deres ledningsevne. "Dette var utroligt svært at gøre, " sagde Long. "Vi var ikke i stand til at dyrke meget store krystaller af denne MOF, og størrelsen og formen, som krystallerne vokser i, gjorde det vanskeligt at forbinde dem til en enhed. Men vi fandt en vej uden om det."

Arbejder med laboratoriet i Peidong Yang, en senior fakultetsforsker i Materials Sciences Division ved Berkeley Lab og professor i kemi og materialevidenskab og teknik ved UC Berkeley, forskerne placerede platinkontakter på hver side af MOF-krystallen, som kun er 10 mikrometer lange - længden af ​​to røde blodlegemer, der er opstillet side om side. Den nyoprettede MOF er en fortsættelse af arbejdet, der først blev rapporteret af Longs laboratorium i 2009.

"Denne MOF har ikke kun virkelig høj elektrisk ledningsevne, men dens jernkæde i midten kan ret nemt oversættes til andre MOF'er uden at miste meget ledningsevne, sagde Michael Aubrey, en tidligere kandidatstuderende forsker i Long-gruppen ved UC Berkeley, som nu er postdoc-forsker ved Stanford University.

Simuleringer af MOF'ernes elektroniske struktur blev ledet af Jeff Neaton, direktør for Berkeley Labs Molecular Foundry, en DOE Office of Science brugerfacilitet med speciale i nanovidenskabsforskning. Diffraktionsarbejde blev udført ved Advanced Photon Source ved Argonne National Laboratory.

Denne tidlige demonstration af en meget ledende 3-D MOF kunne love godt for dens fremtidige brug som et alsidigt materiale til batterier, superkapacitatorer, og brændselsceller. Det kunne også inkorporeres i eksisterende kompositmaterialer for at omdanne dem til porøse ledere. Og fordi den kaliumreducerede MOF's organiske komponenter kan skiftes uden at gå på kompromis med stabilitet eller elektronmobilitet, det kunne også bruges til at fremstille forskellige forbindelser til katalysatorer og elektrolytter.

Og fremtiden for MOF'er kan være endnu lysere, da forskerne ser fremad for at "forøge ledningsevnen yderligere, " Sagde længe. "Hvis vi kan have dette niveau af ledningsevne i et materiale, hvor elektronerne bevæger sig i én dimension, vi vil gerne en dag skabe MOF'er, der har elektroner mobile i to eller tre dimensioner, "hvilket ville udvide deres potentiale for elektronik- og batteriapplikationer.