MOF导电性提高1万倍，杨培东这三位大牛这么简单就做到了！

明月

2018-06-05

第一作者：Michael L. Aubrey, Brian M. Wiers, Sean C. Andrews

通讯作者：Gary J. Long, Peidong Yang, Jeffrey R. Long

通讯单位：加州大学伯克利分校（美国）

研究亮点：

1.通过K离子的引入实现能带离域，使MOF导电性和迁移率大幅提升，可媲美有机高分子。

2.基于这种高导电性和高迁移率的MOFs FET，为实现新型多孔导体器件开辟了一条通用之路。

作为一种比表面积高达7000 m² g^–1的晶态多孔材料，MOFs在气体存储、工业分离、催化以及水净化等诸多领域表现出优异的应用前景。

如何提高MOFs的导电性和迁移率，使之进入储能和电子器件领域并有所作为，成为了众多科学家研究的重要目标。

有鉴于此，加州大学伯克利分校Jeffrey R. Long、杨培东和Gary J. Long等团队合作，通过K⁺的引入实现能带离域，使MOF导电性和迁移率大幅提升，可媲美有机高分子。

图1. K诱导能带离域

研究人员以Fe₂(BDP)₃为研究目标，通过K⁺的引入合成得到Fe₂(BDP)₃部分还原的K_xFe₂(BDP)₃(0 ≤ x ≤ 2)型MOFs材料。这种材料在母体框架内表现出全部的电荷离域，电荷迁移率可媲美陶瓷和高分子材料。

图2. Fe₂(BDP)₃的结构特征

通过谱学方法测试、理论计算以及单个-微晶场效应晶体管测试，研究人员发现在单晶轴上，这种全新的MOFs比未引入K⁺之前的MOFs导电性提高了接近1万倍。

研究人员认为，这种优异的性能主要是因为，K⁺的引入产生了IVCT（混合价态电荷传递）过程，极大地增强了电荷离域。在K⁺引入之前，电子波函数限域在金属离子和有机配体上，几乎不发生重叠。引入K⁺之后，MOFs之间相互作用显著增强，通过将Fe³⁺部分还原成Fe²⁺，实现了长程电荷离域，导电性和迁移率得到增强。

基于FET的测试研究表明，对于K_xFe₂(BDP)₃(0 ≤ x ≤ 2)，电荷离域和迁移率与K的含量x成一定比例关系。当x=0.98时，K_0.98 Fe₂(BDP)₃可实现最高电子迁移率为0.84 cm² V^–1 s^–1，而最高两点导电性比Fe₂(BDP)₃提高了接近1万倍。

图3. K_xFe₂(BDP)₃电荷传递性能测试

总之，这项研究为提高MOFs导电性提供了一种简便的通用策略，为MOFs进军电子器件和储能领域带来了新的希望。

参考文献：

1. Michael L. Aubrey, Brian M. Wiers, Sean C. Andrews, Gary J. Long, Peidong Yang, Jeffrey R. Long et al. Electron delocalization and charge mobility as a function of reduction in a metal–organic framework. Nature Materials 2018.

2. A. Alec Talin & François Léonard. Reducing localization. Nature Materials 2018.