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JACS:实时TEM成像可视化MOF纳米粒子向空心层状双氢氧化物纳米笼的转换

发表时间:2021-03-04 10:26

由于金属有机框架材料(MOFs)的纳米孔晶体结构有利于质量传递,因此经常被用来设计和合成用于电催化的高性能空心纳米结构材料的起始模板。事实上,大部分原始MOFs具有较低的电导率和较差的稳定性,因此不适用于能量的直接转换和存储。通过模板介导的生长方法将MOFs转换成更稳定,导电性更好的中空双层氢氧化物(LDHs)纳米结构,不仅可以克服上述的局限性,而且还可以同时保持MOFs的高孔隙率。


图1:Co(NO3)2溶液中ZIF-8纳米立方体转化为LDH纳米笼示意图与最终材料的元素表征


近日,新加坡国立大学Utkur Mirsaidov研究团队利用液相TEM成像直观地揭示了刻蚀和生长反应的细节。通过该过程,研究人员将立方和菱形十二面体ZIF-8模板转化为空心LDH纳米笼。之所以选择ZIF-8作为模板材料是因为它是目前最常见也是研究最深入的一类MOFs。而选择立方和菱形十二面体的形状是因为大小明确,这使能够识别和比较给定晶体结构的优先刻蚀和生长部位的方向。


图2:不同Co(NO3)2浓度下立方体MOF向LDH转化的比较


整个转化反应的过程是将含有金属硝酸盐(Co(NO3)2或Fe(NO3)3)的水与乙醇的混合溶液通过流体通道进入液池。由于用于MOF纳米粒子成像的电子束会造成相应的损伤,所以实验中使用超低电子通量条件(小于0.1eÅ–2s–1)对转换过程进行了成像,以**程度地减少上述损伤。事实上,与最近研究的亚纳米分辨率相比,这些超低电子通量下的液相TEM成像的空间分辨率虽然只有几纳米,但是,这种成像方法却至关重要,因为它可以用于识别光敏感材料转化的不同反应阶段。实时TEM成像发现,MOF转换为空心LDH纳米笼的过程是通过依次连续的刻蚀以及以相似速率的生长。此外,通过采用核-壳MOF模板,研究人员还将转换方法扩展到具有更大表面积和更好利用纳米结构内部空间的“壳-壳”中空LDH纳米笼的合成中,从而使它们在催化方面中有更多的应用。


图3:Co(NO3)2溶液中将ZIF-8菱形十二面体纳米粒子向LDH纳米笼的过程


这项研究成果不仅建立了将MOF转化为空心LDH纳米笼的有效化学方法,也直观地对该过程的相关细节进行了成像。现已发表在国际**期刊《Journal of the American Chemical Society》上,题为“Visualizing the Conversion of Metal-Organic Framework Nanoparticles into Hollow Layered Double Hydroxide Nanocages”。


文献地址:

https://doi.org/10.1021/jacs.0c10285


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