【Co3(HITP)2】二维共轭金属有机框架基复合膜用于纳米流体离子光电转换

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中国科学技术大学张振教授团队报道的本篇文章（Advanced Materials 2025, 37, 2416093）中研究了基于二维共轭金属有机框架（2D-HATP-cMOF）的复合膜在纳米流体离子光电转换中的应用。该复合膜具有超快的光电响应和优异的离子泵性能，为仿生视网膜和生物医学微型设备等领域的离子介导电路提供了新的思路和材料基础。

研究背景
1.行业问题：传统电子传输型人工光电转换器件不利于与生物系统中以离子行为表达生物信号的友好交互，开发基于离子传输的光电转换系统成为必要趋势。
2.研究现状：现有二维膜材料如氧化石墨烯、过渡金属碳化物等存在电荷载流子生成效率低、电荷传输效率受限等问题，主要由于材料微观结构混杂、层间距大导致的传输路径单一。
3.本文创新：引入二维共轭金属有机框架（2D c-MOF），通过优化配体、金属中心和层堆叠排列，实现扩展共轭、π-π相互作用和结构密度增强，从而最大化电荷载流子生成和传输效率。

实验和分析
1.材料合成与表征：通过溶剂热法合成高导电性的Co3(HITP)2，利用FTIR、XPS、XRD、HR-TEM等手段对其化学结构、表面元素、价态、结晶度等进行表征，证实了其高结晶度和良好的分散性。复合膜通过真空辅助自组装法制备，加入少量纤维素纳米纤维（CNF）作为机械交联剂，提高膜的机械强度。
应用性能测试：在光电转换方面，使用氙灯作为光源，通过实时光电信号测量发现光照下离子电流迅速跃升至16 nA，且具有良好的重复性和长期稳定性。在离子泵性能方面，通过施加浓度梯度并照射可见光，实现了反浓度梯度的离子泵效应，即使在150倍浓度梯度下也能成功实现离子泵送。
2.性能原因分析：2D-HATP-cMOF的平面内扩展共轭结构和层间π-π堆叠协同作用，确保了优异的电荷迁移率和高导电性。光照下产生的载流子分离增强了光照侧的局部电势，形成不对称电位差，驱动离子传输。理论计算和模拟进一步证实了光照下电位分布的不对称性以及离子传输的机制。

总结
1.成功制备了基于2D-HATP-cMOF的复合膜，实现了超快光电响应（<10 s）和高效的离子泵性能，光电流达到16 nA。
2.首次将二维共轭金属有机框架应用于纳米流体离子光电转换，提出了通过扩展共轭和层间相互作用优化电荷传输的新思路，突破了传统二维材料在电荷生成和传输效率方面的限制。
3.为仿生视网膜、生物医学微型设备等领域的离子介导电路提供了高性能材料基础，有望推动人机交互、生物传感器等领域的创新发展。

2D Conjugated Metal–Organic Framework-Based Composite Membranes for Nanofluidic Ionic Photoelectric Conversion
文章作者：Xinyan Jiang, Qixiang Zhang, Naijia Zhao, Zhe Li, Lei Jiang, Zhen Zhang
DOI：10.1002/adma.202416093
文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202416093

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