Angew. Chem. Int. Ed. 中科院福建物构所张健课题组研发MOF合成超小荧光碳-纳米点阵列及光学应用

【引言】

碳纳米点（CD）具有优异的光物理行为，化学稳定性高，毒性低和生物相容性好等优良的化学性质，在催化、荧光、传感器装置的制造等领域的应用引起了科研工作者广泛的研究兴趣。但制备均匀尺寸的CD仍然是一项具有挑战性的任务。研究表明：将CD组装成阵列形成量子点超晶格合成的材料具有新特性的光学。然而，CD组装成纳米阵列仍然是一个巨大的挑战。在众多的材料中，有序孔的结晶骨架材料提供作为CD合成模板的潜力。特别令人感兴趣的是具有明确孔径的金属-有机骨架（MOF），其由金属离子节点和有机-配体组成。密闭空间中形成的反应产物应显示出所需的均匀尺寸分布和现有的合成方法无法实现的形态。此外，使用折射系统将为制造具有明确和不同尺寸的CD提供合适的平台。最后，制造明确的MOF和表面锚定MOF（SURMOF）涂层的最新进展将满足直接制造各种应用器件和传感器的基本要求。

【成果简介】

近日，中科院福建物构所张健（通讯作者）课题组在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“MOF-Templated Synthesis of Ultrasmall Photoluminescent Carbon-Nanodot Arrays for Optical Applications” 的文章。该研究团队开发出葡萄糖（C₆H₁₂O₆）作为碳源渗透MOF（命名：HKUST-1）孔道，N₂气氛中煅烧形成的CD被限制在MOF孔中，从而产生明确定义的CD阵列CD@MOF。随后，可以对3DCD阵列进行光物理实验测试。虽然已经报道了MOF相关的CD制造方法，但是还未报道MOF的毛孔中直接合成CD以产生包含在（仍然完整的）MOF中的CD阵列。此类材料可以为设计和开发新的多功能纳米点阵列提供重要借鉴意义。

【图文导读】

方案1 MOF模板制备光致发光CD的示意图

通过MOF模板制备光致发光CD的流程图。

图1 C₆H₁₂O₆作为碳源，利用MOF模板制备光致发光CD的相关物化性能表征

（a）葡萄糖（G），HKUST-1，G装载HKUST-1的XRD图；

（b）N₂气氛下，葡萄糖（G）焙烧前后的光学照片；

（c）N₂气氛下，HKUST-1焙烧前后的光学照片；

（d）N₂气氛下，G装载HKUST-1焙烧前后的光学照片；

（e）HKUST-1-200和CD@HKUST-1-200的N₂吸脱附测试；

（f）HKUST-1-200和CD@HKUST-1-200的循环伏安曲线（CV）曲线。

图2利用不同的模版制备CD的TEM、尺寸分布及孔径分布

（a）HKUST-1制备的CD的TEM图像；

（b）ZIF-8制备CD的TEM图像；

（c）MIL-101制备CD的TEM图像；

（d）HKUST-1制备CD的尺寸分布；

（e）ZIF-8制备CD的尺寸分布；

（f）MIL-101制备CD的尺寸分布；

（g）通过MOFs模拟的CD的尺寸和相应的模拟的MOF孔径之间的比较。

图3不同大小的CD的光致发光和发射波长对CD大小的对应关系

（a）不同大小CD的光致发光； （b）发射波长对CD大小的对应关系。

图4超小荧光CD阵列及光学应用

（a）初始功能化石英玻璃的照片，石英玻璃上生长的G@HKUST-1-200薄膜，以及合成中的中间材料;

（b）在350nm的激发波长下CD-HKUST-1-200薄膜的归一化光致发光；

（c）在石英玻璃上生长的G@HKUST-1薄膜和CD@HKUST-1-200薄膜的532nm处的开孔Z扫描数据（点）和理论拟合（实线）。

【小结】

该研究团队通过使用MOFs作为有效模板，葡萄糖浸渍多孔MOF并在低温下煅烧葡萄糖来合成具有超小尺寸和均匀尺寸的CD。CD的尺寸非常接近模板MOF的孔径。证明MOFs为具有良好可调谐发光发射的CD的受控合成提供了良好的模板。还在石英玻璃上生长了一个装有CD的MOF薄膜，并且在532nm处提供了光学限制的良好应用。本研究为光学应用的超小型CDs的可控合成提供了一种新颖的方法。

文献链接：MOF-Templated Synthesis of Ultrasmall Photoluminescent Carbon-Nanodot Arrays for Optical Applications（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201702162）

本文由材料人编辑部纳米材料学术组汪李超供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。欢迎加入材料人编辑部MOF学术交流群（120199039）！

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