研究开发解析电池材料结构的新方法

过去几年，一类名为金属有机骨架(MOF)的材料引起关注。这类材料在相关能源领域的应用潜力巨大，而且研究人员发现，这类典型的绝缘材料也可以制成导电材料。

（图片来源：MIT）

MOF材料将孔隙率和导电性完美结合于一体，为电池、燃料电池、超级电容器、电催化剂和专门的化学传感器开辟了新的应用前景。但是，开发特定属性MOF材料的进程一直很缓慢，在很大程度上，这是因为很难弄清楚它们的确切分子结构，及其如何影响材料性能。

据外媒报道，麻省理工学院（MIT）和其他机构的研究人员找到一种方法，可以控制若干种MOF晶体的生长，有可能生成足够大的晶体，以供测试并解析材料结构。这些结构类似于石墨烯等材料的二维六角形晶格。MIT的化学系教授Mircea Dincă表示，自从几年前首次发现导电MOF以来，许多团队一直致力于针对各类应用开发不同材料版本，“但是，没有人能够获得材料结构的更多信息。”他说，对这些结构了解得越透彻，“就能帮助你设计出更好的材料，而且开发速度更快。这就是我们现在所做的工作，首次以原子分辨率详细解析晶体结构。”

他说，要培育出大到足以进行此类研究的晶体，其困难在于MOF内部的化学键。这些材料由金属原子和有机分子组成的晶格组成，往往会形成弯曲的针状或线状晶体，因为在它们的六边形晶格平面上，原子之间的化学键很难形成，也很难打破。相比之下，垂直方向上的化学键要弱得多，因此断裂和重整的速度更快，从而导致结构上升的速度快于其扩散速度。由此产生的细长晶体过小，大多数可用工具都无法确定其特征。

该团队通过改变MOF中一种有机化合物的分子结构来解决这一问题，从而影响电子密度及其与金属相互作用的方式之间的平衡性。这能扭转键强度和生长速率不平衡的问题，从而形成更大的晶片。然后，使用一系列基于高分辨率衍射的成像技术，对这些较大的晶体进行分析。

Dincă表示，与石墨烯一样，寻找生产更大材料的方法，可能是释放这类MOF潜力的关键。起初生产石墨烯时，只能利用胶带从石墨块上剥离单原子厚度层体。但随着时间的推移，人们已经找出方法，可以直接生产出足够大和有用的薄片。Dincă说，希望此次研发的技术可以帮助MOF类似研究铺平道路。“这基本上为制造二维MOF大晶体提供了依据和蓝图。”

但与其他大多数导电材料不同的是，MOF导电材料类似于石墨烯，导电方向性很强：比起垂直方向，它们可以更加自由地沿着材料薄片平面进行传导。这种特性，再加上该材料具有非常高的孔隙率，使其成为电池、燃料电池或超级电容器电极材料的有力候选者。当其有机成分上附着一定的原子群，并与其他特定化合物相结合时，它们可以用作非常灵敏的化学探测器。

在电子和其他潜在应用方面，石墨烯和其他几种已知2D材料已经开辟了广泛的研究领域，但这些材料基本上具有固定属性。Dincă表示，与这些材料相比，MOF有很多类似属性，但又可能形成一系列具有不同属性的变体，因此，研究人员可以设计用于特定用途的特定类型材料。例如，对于燃料电池来说，他说，“你想要的是具有大量活性位点的东西，”以便在具有开放网状结构提供的大表面积上进行反应。或者，要让传感器监测二氧化碳等特定气体浓度，“你需要特定的、不会做出错误性引导的东西。”通过选择用于制造MOF的有机化合物进行设计，可以实现这些性质。