摘要:
以色列Ben-Gurion University的Idan Hod & Yossi Weizmann等报道的这篇文章中(Nat Commun 2024, 15, 1154)利用双锥形金纳米粒子(AuBPs)的等离子体光热性能,开发了一种快速的光诱导MOFs合成方法。通过使用三种不同波长(520nm、660nm和850nm)的光成功合成了四种不同的MOFs,证明了该方法的普适性。此外,通过调节光照条件,AuBPs可以嵌入MOF中或者保留在上清液中。值得注意的是,嵌有AuBPs的MOF(AuBP@UIO-66)保留了其等离子体性质和MOFs典型的超大比表面积。光热AuBP@UIO-66表现出显著的光诱导加热响应,可用于超快脱附和MOF活化。

 
背景:
(1) MOFs的常规溶剂热合成方法耗时长、能耗高、不利于工业化生产。
(2) 已有一些MOFs合成新方法的研究,如微波辅助法、电化学法和机械化学法等,但仍需进一步优化和创新。
(3) 本文在前人工作基础上,首次提出利用可见光-近红外光响应的等离子体光热纳米材料诱导快速合成MOFs,并对反应条件、机理等进行了系统研究。
 
实验:
(1) 利用不同波长的LED光源,通过调控AuBPs的浓度和光照时间,在数分钟内快速合成了UIO-66、MIL-88A、HKUST-1和MOF-5等四种MOFs。
(2) 发现通过控制反应温度,可以调节AuBPs嵌入MOF中的量或使其保留在上清液中,便于回收再利用。
(3) 对比光热法与常规加热法,前者可将UIO-66的合成时间从数小时缩短至10分钟,且产物的比表面积更高。这可能是由于AuBPs周围存在局部高温区所致。
 
分析表征:
(1) XRD表征证实,光热法制备的MOFs与文献报道的晶体结构一致。
(2) N2吸附测得光热法制备的UIO-66的比表面积高达1650 m2/g,优于常规加热法(1550 m2/g)。但120°C光热合成的样品比表面积有所下降。
(3) 电镜观察和元素分析表明,在100°C光热合成时,AuBPs表面形成了无定形ZrO2层,使其能够嵌入MOF基质中。而在60°C时则无明显ZrO2生成。
(4) 光谱测试表明,AuBP@UIO-66复合材料保留了AuBPs的等离子体吸收性能。在850nm光照下,其温度可快速升高到250°C以上,并经3小时循环后性能稳定。
 
总结:
(1) 本文发展了一种利用等离子体光热效应快速合成MOFs的新方法,大幅缩短反应时间,为MOFs的规模化制备提供了新思路。
(2) 通过调控反应温度实现了AuBPs在MOF基质中的原位嵌入,获得了兼具MOF超大比表面积和AuBPs等离子体光热性能的复合材料。
(3) 所得AuBP@UIO-66复合材料对近红外光有快速响应,可用于光热脱附、快速活化等,有望拓展MOFs在传感、催化、吸附等领域的应用。
 


展望:
(1) 光热法制备的MOFs在孔结构、缺陷密度等方面可能与常规方法有差异,还需进一步表征。
(2) AuBPs与MOFs前驱体的相互作用机制有待深入研究,以优化复合材料的结构和性能。
(3) 光热MOFs复合材料在催化、吸附分离、药物传输等领域的应用有待拓展。可利用MOFs的多孔结构与金属离子的协同作用,发挥光热效应的优势。
(4) 可进一步拓宽等离子体纳米材料的种类(如合金、金属氧化物等)和MOFs的类型,丰富光热MOFs复合材料的种类。


Light-induced MOF synthesis enabling composite photothermal materials
文章作者：Ofir Shelonchik, Nir Lemcoff, Ran Shimoni, Aritra Biswas, Elad Yehezkel, Doron Yesodi, Idan Hod & Yossi Weizmann
DOI：10.1038/s41467-024-45333-9
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-45333-9

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