Matter: 激光冲击诱导MOF晶体的热化学缝合形成石墨烯-金属超结构材料

雨辰

2020-03-24

高效的光收集材料是应对人类社会面临的能源和环境危机的一种很有应用前景的技术。挑战来自廉价，高效的光收集器的制造，黑体是吸收所有落在其上的光的理论物体，是最理想的太阳能吸收器。随着纳米技术的发展，可以通过在精细的化学和结构设计中操纵纳米级的光来合成类黑体材料。例如，垂直排列的碳纳米管和石墨烯纳米阵列已经被制造出来，以实现宽带和有效的光吸收。然而，由于缺乏可扩展的制造方法和前驱体的高成本，这些结构在实际应用中过于昂贵。为了避免这些问题，需要寻找开发具有低成本和高可扩展性的新方法和前驱体。另外，具有化学稳定和自支撑特征的类黑体薄膜也是满足实际应用的需要。原则上，3D石墨烯与具有极高的光耦合纳米结构和空腔密度的金属纳米结构混合膜可以满足高的光吸收要求。金属有机骨架（MOF）具有固有地有序隔开的金属离子和有机连接基，适合生成由碳质和金属组分组成的混合结构，而且还具有化学成分的灵活性，结构的多样性以及其合成的可扩展性，适宜用作前驱体，以生成具有可设计的成分和结构的衍生物。

有鉴于此，武汉大学的程佳瑞教授、邓鹤翔教授和华中科技大学叶镭等人合作，证明了通过对空气中低成本的MOF晶体进行直接纳秒脉冲激光辐照，可以很容易地一步制备类黑体自支撑材料。

本文要点

1）提出了一种称为激光热化学缝合（LTS）的方法，激光照射后，通过热化学热解将分离出的MOF晶体立即热解并“缝合”在一起，形成一个独立的石墨烯-金属纳米颗粒块体材料（GMM）。MOF对激光的有效吸收以及激光的即时加热和冷却功能使得生成具有高均匀性和密度的MNP成为可能，而这是传统方法无法实现的。

2）通过线扫描激光系统，纳秒脉冲光纤激光器可以在空气中生产出厚度为20μm的7 mm×5 cm的大GMM膜。显微镜和光谱法显示，GMM是多孔的，由嵌入在多层石墨烯中的超细MNPs构成。

3）由于短脉冲激光的高功率强度和MOF晶体在玻璃之间的限制，在LTS过程中激光脉冲与MOF晶体之间的强相互作用产生了极高的局部高温和压力（>2200 K，>0.3 GPa），同时形成了一种还原性气氛来防止MNPs的氧化，这一过程被称为激光冲击过程。石墨烯骨架中紧密堆积的MNP的独特结构使该GMM非常适合宽带光吸收，在SSG设备中表现出高性能。

总之，该工作利用MOF的丰富化学特性和最先进的激光技术，为生产具有独特特性的MOF衍生纳米材料提供了一条新途径。

参考文献：

Haoqing Jiang et al. Graphene-Metal-Metastructure Monolith via Laser Shock-Induced Thermochemical Stitching of MOF Crystals. Matter, 2020.

DOI: 10.1016/j.matt.2020.03.003

https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.03.003