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研究開發(fā)解析電池材料結(jié)構(gòu)的新方法
時(shí)間:2020-12-03 11:37來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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（圖片來源：MIT）
過去幾年，一類名為金屬有機(jī)骨架(MOF)的材料引起關(guān)注。這類材料在相關(guān)能源領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大，而且研究人員發(fā)現(xiàn)，這類典型的絕緣材料也可以制成導(dǎo)電材料。
MOF材料將孔隙率和導(dǎo)電性完美結(jié)合于一體，為電池、燃料電池、超級(jí)電容器、電催化劑和專門的化學(xué)傳感器開辟了新的應(yīng)用前景。但是，開發(fā)特定屬性MOF材料的進(jìn)程一直很緩慢，在很大程度上，這是因?yàn)楹茈y弄清楚它們的確切分子結(jié)構(gòu)，及其如何影響材料性能。
據(jù)外媒報(bào)道，麻省理工學(xué)院（MIT）和其他機(jī)構(gòu)的研究人員找到一種方法，可以控制若干種MOF晶體的生長，有可能生成足夠大的晶體，以供測試并解析材料結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)類似于石墨烯等材料的二維六角形晶格。MIT的化學(xué)系教授Mircea Dincă表示，自從幾年前首次發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電MOF以來，許多團(tuán)隊(duì)一直致力于針對(duì)各類應(yīng)用開發(fā)不同材料版本，“但是，沒有人能夠獲得材料結(jié)構(gòu)的更多信息。”他說，對(duì)這些結(jié)構(gòu)了解得越透徹，“就能幫助你設(shè)計(jì)出更好的材料，而且開發(fā)速度更快。這就是我們現(xiàn)在所做的工作，首次以原子分辨率詳細(xì)解析晶體結(jié)構(gòu)。”
他說，要培育出大到足以進(jìn)行此類研究的晶體，其困難在于MOF內(nèi)部的化學(xué)鍵。這些材料由金屬原子和有機(jī)分子組成的晶格組成，往往會(huì)形成彎曲的針狀或線狀晶體，因?yàn)樵谒鼈兊牧呅尉Ц衿矫嫔�，原子之間的化學(xué)鍵很難形成，也很難打破。相比之下，垂直方向上的化學(xué)鍵要弱得多，因此斷裂和重整的速度更快，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上升的速度快于其擴(kuò)散速度。由此產(chǎn)生的細(xì)長晶體過小，大多數(shù)可用工具都無法確定其特征。
該團(tuán)隊(duì)通過改變MOF中一種有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)來解決這一問題，從而影響電子密度及其與金屬相互作用的方式之間的平衡性。這能扭轉(zhuǎn)鍵強(qiáng)度和生長速率不平衡的問題，從而形成更大的晶片。然后，使用一系列基于高分辨率衍射的成像技術(shù)，對(duì)這些較大的晶體進(jìn)行分析。
Dincă表示，與石墨烯一樣，尋找生產(chǎn)更大材料的方法，可能是釋放這類MOF潛力的關(guān)鍵。起初生產(chǎn)石墨烯時(shí)，只能利用膠帶從石墨塊上剝離單原子厚度層體。但隨著時(shí)間的推移，人們已經(jīng)找出方法，可以直接生產(chǎn)出足夠大和有用的薄片。Dincă說，希望此次研發(fā)的技術(shù)可以幫助MOF類似研究鋪平道路。“這基本上為制造二維MOF大晶體提供了依據(jù)和藍(lán)圖。”
但與其他大多數(shù)導(dǎo)電材料不同的是，MOF導(dǎo)電材料類似于石墨烯，導(dǎo)電方向性很強(qiáng)：比起垂直方向，它們可以更加自由地沿著材料薄片平面進(jìn)行傳導(dǎo)。這種特性，再加上該材料具有非常高的孔隙率，使其成為電池、燃料電池或超級(jí)電容器電極材料的有力候選者。當(dāng)其有機(jī)成分上附著一定的原子群，并與其他特定化合物相結(jié)合時(shí)，它們可以用作非常靈敏的化學(xué)探測器。
在電子和其他潛在應(yīng)用方面，石墨烯和其他幾種已知2D材料已經(jīng)開辟了廣泛的研究領(lǐng)域，但這些材料基本上具有固定屬性。Dincă表示，與這些材料相比，MOF有很多類似屬性，但又可能形成一系列具有不同屬性的變體，因此，研究人員可以設(shè)計(jì)用于特定用途的特定類型材料。例如，對(duì)于燃料電池來說，他說，“你想要的是具有大量活性位點(diǎn)的東西，”以便在具有開放網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提供的大表面積上進(jìn)行反應(yīng)�；蛘撸寕鞲衅鞅O(jiān)測二氧化碳等特定氣體濃度，“你需要特定的、不會(huì)做出錯(cuò)誤性引導(dǎo)的東西。”通過選擇用于制造MOF的有機(jī)化合物進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)這些性質(zhì)。
(責(zé)任編輯：子蕊)
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