MOF
MOF — это аббревиатура от Metal-Organic Frameworks (металлоорганические каркасы), представляющая собой пористый кристаллический материал, образованный ионами металлов или кластерами металлов и органическими лигандами, соединенными координационными связями, включая исходные MOF, композиты MOF и производные MOF. MOF обладает многими превосходными свойствами, такими как высокая удельная площадь поверхности, регулируемый размер пор, разнообразные структуры и функции, низкая плотность, высокая стабильность и т. д. Поэтому он имеет широкие перспективы применения в адсорбции газов, разделении, катализе, зондировании, доставке лекарств и других областях.
Характеристики MOF
■ MOF — это самоорганизующийся наноматериал, структуру и функцию которого можно точно проектировать и регулировать, изменяя тип и пропорцию ионов металлов или органических лигандов.
■ MOF — пористый материал с размерами пор от нанометров до микрометров, который позволяет осуществлять селективную адсорбцию и разделение молекул различных размеров и форм.
■ MOF — это функциональный материал, металлический центр которого и органические лиганды могут обеспечивать различные химические и физические активные центры для достижения каталитических, сенсорных, флуоресцентных, магнитных и других реакций на адсорбированные молекулы.
Направление развития и применения MOF
MOF можно использовать для адсорбции и хранения газов, таких как водород, метан, углекислый газ и т. д., с целью использования чистой энергии и сокращения выбросов парниковых газов. ——Очистка воздуха
MOF может использоваться для разделения и очистки газов, таких как азот, кислород, этилен, этан и т. д., для достижения эффективного разделения в промышленных и экологических областях. ——Контролировать, измерять и регулировать
MOF можно использовать в катализе и реакционной технике, например, в каталитическом крекинге, окислительно-восстановительном процессе, конверсии водяного газа и т. д., для ускорения химических реакций и повышения селективности. ——Химическая кинетика
MOF можно использовать для обнаружения и детектирования таких газов, как аммиак, оксид азота, летучие органические соединения и т. д., для быстрой идентификации и количественного анализа вредных газов. ——Контроль, измерение, регулирование, хранение
MOF можно использовать в доставке лекарственных препаратов и биомедицине, например, противораковых препаратов, генов, ферментов и т. д., для обеспечения защиты и направленного высвобождения биологических молекул. Целенаправленная химиотерапия
Tektronix помогает MOF в исследовании приложений
Как новый тип нанопористого материала, MOF имеет широкие перспективы применения в области новой энергетики благодаря своей уникальной структуре и свойствам. MOF может обеспечить проектирование и оптимизацию новых энергетических материалов и улучшить их характеристики при электрохимическом хранении и преобразовании энергии путем корректировки их химического состава и топологической структуры. MOF также можно смешивать или модифицировать с другими материалами, такими как углеродные материалы, металлические наночастицы, проводящие полимеры и т. д., для формирования новых функциональных материалов с синергетическими эффектами, дополнительно улучшая их электрохимические свойства. Кроме того, MOF может также использовать свою пористую структуру для хранения и высвобождения чистой энергии, такой как водород и метан, обеспечивая эффективный способ транспортировки и использования новой энергии.
Короче говоря, развитие новой энергии является серьезным вызовом и возможностью, стоящими перед миром сегодня. MOF, как новый тип нанопористого материала с большим потенциалом, предоставляет инновационную платформу и метод для исследования и применения новой энергии, которая заслуживает дальнейшего изучения и разработки.
Приборы Keithley могут существенно помочь пользователям сосредоточиться на исследованиях MOF в области электротехники, таких как суперконденсаторы, топливные элементы, литий-ионные аккумуляторы и т. д., для проектирования и оптимизации материалов для хранения и преобразования энергии.
Оборудование Keithley позволяет проводить точную характеристику и анализ материалов MOF.
Устройства Keithley обладают следующими преимуществами:
■ Он может достигать малошумного, высокоскоростного и высокоразрешающего измерения вольт-амперной кривой, что подходит для оценки проводимости, фотоэлектрических и термоэлектрических свойств материалов MOF.
■ Можно применять различные методы электрохимических испытаний, такие как циклическая вольтамперометрия, метод заряда-разряда при постоянном токе и метод импеданса переменного тока, которые подходят для изучения емкости, электрохимической стабильности и кинетики реакций материалов MOF.
■ Его можно использовать в сочетании с другими приборами, такими как микроскопы и спектрометры, для достижения комплексной многомерной и многомодальной характеристики материалов MOF.
■ Благодаря мощной программной платформе и богатым функциям обработки данных вы можете легко задавать экспериментальные параметры, управлять работой прибора, считывать и анализировать данные, создавать и экспортировать отчеты и т. д.
Обзор химии от группы профессора Сюй Цяна из Южного университета науки и технологий: энергетические приложения на основе материалов с металл-органическим каркасом (MOF)
MOF обладает такими характеристиками, как высокая удельная площадь поверхности, регулируемый размер пор и разнообразные функциональные группы, что обеспечивает ему большой потенциал применения в электрохимии. MOF можно использовать в качестве электродного материала или в сочетании с другими материалами для улучшения электрохимических характеристик и стабильности. Например, MOF может улучшить проводимость и эффективность переноса заряда посредством легирования, загрузки, инкапсуляции и других методов, тем самым повышая удельную емкость и скоростные характеристики конденсаторов; MOF может загружать катализаторы и активные частицы восстановления кислорода посредством адсорбции, внедрения, сшивания и других методов, тем самым повышая каталитическую эффективность и долговечность топливных элементов; MOF может хранить и высвобождать ионы лития посредством координации, интеркаляции, инкапсуляции и других методов, тем самым повышая удельную емкость и срок службы литий-ионных аккумуляторов.
Сценарий применения
1
MOF для прозрачной электроники
Как использовать MOF для разработки прозрачных электронных устройств с высокой проводимостью, высокой чувствительностью и возможностью работы при комнатной температуре
Измерение давления и расхода с помощью Keithley 2400
В основном он используется для оценки эффективности обнаружения структуры Ni-CAT-1-on-SLG в качестве прозрачного электронного датчика молекул газа при комнатной температуре, включая предел обнаружения, диапазон линейного отклика, идентификацию газа и т. д.
■ Электрохимическое тестирование для оценки эффективности обнаружения структуры Ni-CAT-1-on-SLG для молекул газа (таких как NH₃, CO, O₂), включая предел обнаружения, диапазон линейного отклика и т. д.
■ С помощью подгонки кривой электронного отклика извлекается кинетический параметр адсорбции молекул газа k, который показывает линейную зависимость от концентрации газа, отражая специфическое взаимодействие между MOF и молекулами газа.
■ Был измерен электронный отклик r0 структуры Ni-CAT-1-on-SLG при равновесии адсорбции-десорбции, и он показал линейную зависимость от концентрации газа c в соответствии с моделью химической адсорбции Ленгмюра-Фрейндлиха.
■ Благодаря характерным значениям k и r0 различных молекул газа можно добиться однозначной идентификации типов газа.
2
Каркасы из углеродных нанотрубок, полученные на основе биметаллических металлоорганических каркасов, для улучшенной емкостной деионизации и цинково-воздушных батарей
Свойства полученного ЦНТФ улучшены и могут быть использованы для изготовления гибких высокопроизводительных цинк-воздушных аккумуляторов.
Изменение проводимости измерялось с помощью измерителя источника Keithley SMU-2400 для оценки эффективности адсорбции ионов электродом.
3
Процесс сборки кислотного металлоорганического каркаса (MOF) MIL-53-COOH в одиночные наноканалы (НК) полиэтилентерефталата (ПЭТ) для разработки биоинспирированных искусственных ионных каналов.
В качестве подтверждения концепции было продемонстрировано, что наноионное устройство PET/MOF функционирует как эффективный наногенератор посредством обратного электродиализа.
Свойства ионного транспорта PET NC, PET@EDA NC и PET/MOF NC были протестированы с использованием пикоамперметров Keithley 6487 и 6517B. Конкретно:
■ Один наноканал был зажат между двумя камерами, заполненными растворами хлоридных солей (KCl, NaCl или LiCl, pH 5,8) или растворами HCl равной концентрации.
■ Трансмембранный потенциал прикладывается с помощью электродов Ag/AgCl, при этом анод размещается в камере на стороне, обращенной к базальной поверхности наноканала.
■ Измерения I-V в основном выполняются с использованием напряжения развертки от -2 В до +2 В, и каждое измерение повторяется не менее 3 раз для получения среднего тока при определенном смещении напряжения.
Эти испытания помогли исследовать ионно-выпрямляющие свойства наноканалов PET/MOF.
4
Синтез и характеристика одномерного (1D) проводящего металл-органического каркаса (MOF) DDA-Cu
Следующие испытания были выполнены с использованием анализатора параметров полупроводников Keithley 4200SC:
■ Измерение вольт-амперной характеристики (ВАХ)
■ Оценка проводимости (k)
Кроме того, все тесты производительности проводились на анализаторе параметров полупроводников Keithley 4200SC.
Измерение давления и расхода с помощью Keithley 2400
В основном он используется для оценки эффективности обнаружения структуры Ni-CAT-1-on-SLG в качестве прозрачного электронного датчика молекул газа при комнатной температуре, включая предел обнаружения, диапазон линейного отклика, идентификацию газа и т. д.
■ Электрохимическое тестирование для оценки эффективности обнаружения структуры Ni-CAT-1-on-SLG для молекул газа (таких как NH₃, CO, O₂), включая предел обнаружения, диапазон линейного отклика и т. д.
■ С помощью подгонки кривой электронного отклика извлекается кинетический параметр адсорбции молекул газа k, который показывает линейную зависимость от концентрации газа, отражая специфическое взаимодействие между MOF и молекулами газа.
■ Был измерен электронный отклик r0 структуры Ni-CAT-1-on-SLG при равновесии адсорбции-десорбции, и он показал линейную зависимость от концентрации газа c в соответствии с моделью химической адсорбции Ленгмюра-Фрейндлиха.
■ Благодаря характерным значениям k и r0 различных молекул газа можно добиться однозначной идентификации типов газа.
Решения Tektronix, соответствующие испытательному оборудованию
Анализатор параметров полупроводников 4200A-SCS
• Источник-измеритель I-V (SMU): поддерживает ±210 В/1 А, минимальное разрешение измерения 10 аА, обеспечивает измерение емкости на сверхнизкой частоте 10 мГц - 10 Гц, поддерживает работу в четырех квадрантах и 2-проводное или 4-проводное подключение.
• Многочастотный емкостной блок C-V (CVU): диапазон частот 1 кГц - 10 МГц, встроенный источник смещения постоянного тока ±30 В (с возможностью расширения до ±210 В), поддерживает измерение импеданса переменного тока (C-V, C-f, C-t) и простое переключение I-V/C-V.
• Блок импульсного ВАХ (PMU) и генератор импульсов высокого напряжения (PGU): обеспечивает частоту дискретизации ±40 В, ±800 мА, 200 Мвыб/с, поддерживает режим сегмента сигнала произвольной формы ARB®, разрешение 10 нс, подходит для высокоскоростных импульсных измерений ВАХ.
• Многоканальный коммутационный модуль (CVIV) с удаленным усилителем входного каскада (RPM): поддерживает автоматическое переключение между измерениями I-V, C-V и сверхбыстрыми импульсными измерениями I-V, расширяет чувствительность по току до десятков пикоампер и снижает влияние емкости кабеля.
Источник-измеритель серии 2400
• Функциональность «все в одном»: интегрированный источник и измерение ВАХ, поддержка постоянного тока мощностью 20–100 Вт, импульсного тока мощностью 1000 Вт, охват диапазонов от 1100 В до 1 мкВ и от 10 А до 10 пА, а также возможность работы в четырех квадрантах в качестве источника и потребителя.
• Высокоточное и эффективное измерение: обеспечивает базовую точность измерения 0,012% (разрешение 6,5 разрядов), поддерживает 1700 показаний в секунду (разрешение 4,5 разряда) и имеет функцию компаратора «прошел/не прошел».
• Гибкое подключение и управление: поддерживает 2-, 4- и 6-проводную удаленную подачу напряжения и измерение с программируемыми портами DIO для автоматизированного управления и контроля датчиков.
• Совместимость и интерфейс: стандарт SCPI GPIB, RS232 и триггерная связь Keithley, поддерживающая функцию проверки контакта высокоскоростной сенсорной линии, обеспечивающая удобную системную интеграцию и управление.
краткое содержание
Применение источника-измерителя Keithley для испытаний в исследованиях металлоорганических структур (MOF). Источник-измеритель Keithley — это высокопроизводительный прибор, который может одновременно выполнять функции источника и измерения напряжения и тока и обладает такими характеристиками, как высокое разрешение, высокая точность и высокая чувствительность. Источник-измеритель Keithley можно использовать для измерения электрохимических свойств MOF, таких как проводимость, емкость, импеданс и т. д., а также реакции на внешние факторы, такие как температура, влажность, газ и т. д. Источник-измеритель Keithley также можно комбинировать с другими приборами, такими как спектрометры, микроскопы и т. д., для получения многомерных характеристик MOF. Благодаря тестированию таблицы источников Кейтли мы можем глубоко понять структуру, функцию и механизм действия MOF и предоставить эффективные рекомендации по его применению в катализе, зондировании, адсорбции, разделении и других областях.
Ссылки
• Ван, В., Чэнь, Д., Ли, Ф., Сяо, С. и Сюй, Ц. (2023).
Материалы на основе металлоорганического каркаса как платформы для энергетических приложений. Химия, 9(10), 2331-2352.
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2023.09.009
• Чжан, Ю., Ли, С., Ван, Х., Чжоу, З. и Лю, Дж. (2019).
Современные функциональные материалы для гибких и носимых датчиков. Advanced Science, 6(15), 1802050.
https://doi.org/10.1002/advs.201903003
• Лю, С., Чэнь, Ю., Ван, З. и Ли, Ю. (2019).
Последние достижения в области наноматериалов для электроники и энергетики. Frontiers in Chemistry, 7, 449.
https://doi.org/10.3389/fchem.2019.00449
• Лу, Дж., Сюй, Х., Юй, Х., Ху, Х., Ся, Дж., Чжу, Ю., Ван, Ф., У, Х.-А., Цзян, Л. и Ван, Х. (2022).
Сверхбыстрый выпрямляющий встречный транспорт протонов и ионов металлов в наноканалах на основе металлоорганического каркаса. Science Advances, 8(14), eabl5070.
https://doi.org/10.1126/sciadv.abl5070
• Ван, С., Ли, Ц., Чжан, З. и Чэнь, Ю. (2022).
Новые применения 2D-материалов в биоэлектронике и биосенсорах. Nature Communications, 13, 35315.
https://doi.org/10.1038/s41467-022-35315-0
.png)
