《Matter》：激光冲击蒸发制备液态金属纳米层连接MOF复合材料

金属有机骨架材料的低导热性能，限制了其在热相关领域的应用。在此，来自美国普渡大学和武汉大学等单位的研究者，设计了一种简单而直接的制造方法，即激光冲击诱导蒸发，在MOF晶体的表面沉积均匀的液态金属纳米颗粒(LMNP)薄层，从而得到MOF@LMNP纳米复合材料。相关论文以题为“Liquid metal nanolayer-linked MOF nanocomposites by laser shock evaporation”发表在Matter上。

多孔晶体材料，如沸石和金属-有机框架(MOFs)，在能源和环境科学中是十分有用的。近年来，MOFs在水捕捉和能源领域的应用，为解决水和能源危机的新途径的开发提供了新思路。通过金属接头和有机接头的有序和交替排列，MOFs非常适合于在其高多孔、化学定义和拓扑丰富的晶体结构中捕获、存储、转换和释放客体分子。尽管在催化、药物输送、气体存储/分离、电化能存储、光学和电子学方面取得了成就，但在需要高效地进行热和电传输的情况下，它们的低热传导和电导率仍然是一个挑战。

受本征结构的限制，大多数MOF材料表现出较低的导热率和电导率。以往的研究表明，用其他材料涂层MOFs是缓解这些不足的有效策略。金属是与MOFs复合的理想候选材料，可以提高热导率和电导率；然而，金属在MOF粒子上加工成薄层具有挑战性，特别是在纳米尺度上，因为它们的固态性质和高温加工时会对MOF产生损伤。
在这里，研究者提出了一种新的策略，在不改变MOF晶体结晶度和孔隙率的情况下，在MOF晶体表面沉积致密和均匀的金属纳米层。本文采用激光冲击蒸发技术，在MOF晶体表面沉积液态金属(LM)作为导热剂。不同于其他物理混合石墨颗粒和MOF的方法，以及在MOF晶体与热媒接触面积有限的金属结构上沉积MOF层的方法，每个MOF晶体上的LM纳米层提供了MOF和LM之间最大的界面，从根本上降低了热阻。例如，LM，共晶镓-铟(74.5 wt % Ga和25.5wt % In)合金，保持了高的热/电导电性，良好的生物相容性，高流动性和稳定性，使它们成为具有吸引力的功能添加剂与其他纳米材料。然而，由于表面张力能抵抗LM的破坏，阻碍了纳米材料表面的均匀分布，因此，需要克服其在室温下约700 mN m-1的巨大表面张力。为了解决这个难题，研究者使用了激光作为加工工具，在MOF晶体的复杂表面上重新分布LM。近年来，激光已被证明是处理MOF基材料的有效工具。
在此，研究者选择性地向LM粒子发射纳秒脉冲激光，使LM在密闭空间内瞬间加热和蒸发，激光的去除导致LM蒸气在MOF晶体表面瞬间凝结，形成一层薄薄的LM纳米颗粒(LMNPs)。得到的LMNP-密封MOF (MOF@LMNP)复合材料，继承了LM的高导热性和MOF的高孔隙率的优点。LMNP层作为3D导热高速通道，将MOF@LMNP的导热系数提高到原始MOFs的5倍。在测量了该复合材料的大气捕水能力后，通过增强传热和加速放水动力学，该复合材料能迅速释放所吸收的水分，并在3 min内使水分生产率提高一倍。

图1 MOF@LMNP制作原理图。

图2 纯MOF, MOF + LM, MOF@LMNP的表征。

图3 三种不同材料的水分蒸发性能。

图4 室外集水器集水性能。

在此，研究者报道了一种简便、无损的激光冲击蒸发技术，来合成LM纳米层连接的MOFs。获得的MOF@LMNP复合材料继承了LMs的高导热性，同时保持了MOFs的高孔隙率。与原始MOF-801相比，MOF-801@LMNP复合材料表现出更强的脱附/吸附动力学。研究者的激光冲击蒸发方法，能够以一种简单、低成本的方式结合LM和MOFs的优点。考虑到MOFs的数量之多以及它们独特的性能，MOF@LMNP材料在水收集方面的应用只是催化剂、电池、传感器等众多应用中的冰山一角。（文：水生）

本信息源自互联网仅供学术交流 ，如有侵权请联系我们立即删除。