中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
傳感器技術(shù)被稱(chēng)為現代信息技術(shù)三大支柱之一，氣體傳感器作為其中重要一環(huán)，在工業(yè)氣體泄露檢測、新型醫療診斷、智能家居、現代農業(yè)和爆炸物檢測等領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景。設計和創(chuàng )制兼具高靈敏度、高選擇性和高穩定性的氣敏材料是制備高性能氣體傳感器的關(guān)鍵。導電金屬有機框架（c-MOFs）作為一類(lèi)新型的導電晶體多孔材料，具有高比表面積、可調的拓撲結構、孔徑大小、形狀、主客體相互作用、可調帶隙和電荷傳輸等特性，使其在氣體傳感器等領(lǐng)域具有巨大的應用潛力。
由傳統的熱溶劑合成策略制備的微晶c-MOF粉末具有拓展的拓撲網(wǎng)絡(luò )結構和結晶度，但固有缺乏溶液可加工性，使得制備大面積、高質(zhì)量、取向導電MOF薄膜變得困難，限制了其與微納器件的集成與結合，表現出受限的載流子和質(zhì)量傳輸特性等，因而進(jìn)一步限制了MOF基高性能微納傳感器的批量化制備與應用。如何從“自下而上”構筑對特定氣體具有特異性識別功能的高靈敏c-MOF體系并實(shí)現高質(zhì)量、取向、大面積導電MOF薄膜的可控制備仍面臨挑戰。
圖1. Ni3(HITP)2/NUS-8合成策略示意圖及其在多維傳感中的應用
針對這一問(wèn)題，西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張明明/袁泓曄團隊以典型的Ni3(HITP)2（HITP = 2，3，6，7，10，11-己氨基三苯）和二維Zr-BTB MOF (NUS-8)作為研究對象，借助模板輔助生長(cháng)策略，利用NUS-8的二維特性、溶液可加工性和Ni3(HITP)2的導電性，以及NUS-8和Ni3(HITP)2之間良好的晶格匹配效應，構筑了具有高導電性、優(yōu)異的溶液可加工特性和高孔隙率的MOF-on-MOF結構（Ni3(HITP)2/NUS-8），并將其應用于超痕量H2S室溫檢測及柔性傳感等領(lǐng)域（如圖1）。 研究結果表明，Ni3(HITP)2在NUS-8納米片的受控外延生長(cháng)遵循S-K的生長(cháng)模式；通過(guò)控制生長(cháng)的動(dòng)力學(xué)，得到了分散性?xún)?yōu)異且具有較高穩定性的Ni3(HITP)2/NUS-8懸浮液的制備，實(shí)現了具有可變厚度、取向和大面積Ni3(HITP)2/NUS-8膜及復雜圖案的可控制備，并應用于柔性傳感。 最后，基于Ni3(HITP)2/NUS-8的氣體傳感器在室溫下對超痕量H2S表現出優(yōu)異的靈敏度（檢測極限約為6 ppb）、選擇性和穩定性（如圖2）。該工作可能為MOF薄膜及兼具高靈敏度和高選擇性MOF基氣體傳感器的批量化制備提供新的思路。
圖2. 基于Ni3(HITP)2/NUS-8傳感器的氣體室溫傳感性能
該工作以《基于模板輔助生長(cháng)策略構筑溶液可加工性MOF-on-MOF體系用于超痕量H2S檢測》 “Solution-Processable MOF-on-MOF System Constructed via Template-Assisted Growth for Ultratrace H2S Detection”為題發(fā)表在國際著(zhù)名學(xué)術(shù)期刊《德國應用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）。西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生吳炫昊為論文第一作者，袁泓曄特聘研究員和武漢大學(xué)肖淞副教授為論文共同通訊作者，論文合作成員也包括團隊負責人張明明教授、山東大學(xué)陶繼方教授等。金屬材料強度國家重點(diǎn)實(shí)驗室和西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為該工作的第一作者及通訊作者單位。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、高層次留學(xué)人才回國資助計劃、陜西省高層次青年人才引進(jìn)計劃以及西安交通大學(xué)青年拔尖人才支持計劃的共同資助。論文中的表征及測試得到了材料創(chuàng )新設計中心王疆靖教授和聶超博士以及西安交通大學(xué)分析測試共享中心的支持。
