MOF是金屬有機(jī)骨架（Metal-Organic Frameworks）的簡(jiǎn)稱，是一種由金屬離子或金屬簇和有機(jī)配體通過(guò)配位鍵連接而成的多孔晶體材料，包括原始MOF， MOF復(fù)合材料和MOF衍生物。MOF具有多種優(yōu)異的性質(zhì)，如高比表面積、可調(diào)的孔徑、多樣的結(jié)構(gòu)和功能、低密度、高穩(wěn)定性等，因此在氣體吸附、分離、催化、傳感、藥物輸送等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

MOF的特點(diǎn)

■ MOF是一種自組裝的納米材料，可以通過(guò)改變金屬離子或有機(jī)配體的種類和比例，實(shí)現(xiàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)和功能的精確設(shè)計(jì)和調(diào)控。

■ MOF是一種多孔材料，其孔徑范圍從納米到微米，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同大小和形狀的分子的選擇性吸附和分離。

■ MOF是一種功能材料，其金屬中心和有機(jī)配體可以提供多種化學(xué)和物理的活性位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)吸附分子的催化、傳感、熒光、磁性等響應(yīng)。

MOF的發(fā)展方向和應(yīng)用

■ MOF可以用于氣體吸附和存儲(chǔ)，如氫氣、甲烷、二氧化碳等，實(shí)現(xiàn)清潔能源的利用和溫室氣體的減排?！諝鈨艋?/p>

■ MOF可以用于氣體分離和純化，如氮?dú)?、氧氣、乙烯、乙烷等，?shí)現(xiàn)工業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域的高效分離?！刂茰y(cè)量調(diào)控

■ MOF可以用于催化和反應(yīng)工程，如催化裂化、氧化還原、水煤氣變換等，實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的加速和選擇性的提高?！瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)

■ MOF可以用于傳感和檢測(cè)，如氨氣、一氧化氮、揮發(fā)性有機(jī)物等，實(shí)現(xiàn)對(duì)有害氣體的快速識(shí)別和定量分析。——控制測(cè)量調(diào)控，存儲(chǔ)器

■ MOF可以用于藥物輸送和生物醫(yī)學(xué)，如抗癌藥物、基因、酶等，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的保護(hù)和定向釋放?！邢蚧?/p>

泰克助力MOF應(yīng)用研究

MOF作為一種新型的納米多孔材料，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，在新能源領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。MOF可以通過(guò)調(diào)節(jié)其化學(xué)組成和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，提升其在電化學(xué)儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換方面的表現(xiàn)。MOF也可以與其他材料如碳材料、金屬納米粒子、導(dǎo)電聚合物等進(jìn)行復(fù)合或修飾，形成具有協(xié)同效應(yīng)的新型功能材料，進(jìn)一步改善其電化學(xué)性能。此外，MOF還可以利用其孔道結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)存和釋放氫氣、甲烷等清潔能源，為新能源的運(yùn)輸和利用提供了一種有效的途徑。

總之，開(kāi)發(fā)新能源是當(dāng)今世界面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)和機(jī)遇，MOF作為一種具有巨大潛力的新型納米多孔材料，為新能源的研究和應(yīng)用提供了一種創(chuàng)新的平臺(tái)和方法，值得進(jìn)一步的探索和開(kāi)發(fā)。

泰克Keithley的臺(tái)表可以極大的幫助用戶聚焦MOF在電學(xué)方向上的研究，如超級(jí)電容器、燃料電池、鋰離子電池等，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

Keithley設(shè)備可以對(duì)MOF材料進(jìn)行精確的表征和分析。

Keithley設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)：

■ 可以實(shí)現(xiàn)低噪聲、高速度和高分辨率的電流-電壓曲線測(cè)量，適用于評(píng)估MOF材料的導(dǎo)電性、光電性和熱電性等。

■ 可以進(jìn)行多種電化學(xué)測(cè)試技術(shù)，例如循環(huán)伏安法、恒流充放電法、交流阻抗法等，適用于研究MOF材料的電容性、電化學(xué)穩(wěn)定性和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等。

■ 可以與其他儀器如顯微鏡、光譜儀等聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)MOF材料的多維度和多模態(tài)的綜合表征。

■ 具有強(qiáng)大的軟件平臺(tái)和豐富的數(shù)據(jù)處理功能，可以方便地設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)、控制儀器運(yùn)行、讀取和分析數(shù)據(jù)、生成和導(dǎo)出報(bào)告等。

南方科技大學(xué)徐強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)Chem綜述：基于金屬有機(jī)框架（MOF）材料的能源應(yīng)用

MOF具有高比表面積、可調(diào)孔徑、多樣功能基團(tuán)等特點(diǎn)，使其在電化學(xué)上具有很好的應(yīng)用潛力。MOF可以作為電極材料或者與其他材料復(fù)合，提高電化學(xué)性能和穩(wěn)定性。例如，MOF可以通過(guò)摻雜、負(fù)載、包裹等方法改善導(dǎo)電性和電荷傳輸效率，增強(qiáng)電容器的比電容和倍率性能；MOF可以通過(guò)吸附、嵌入、交聯(lián)等方法加載催化劑和氧還原活性物種，提高燃料電池的催化效率和耐久性；MOF可以通過(guò)配位、插層、封裝等方法儲(chǔ)存和釋放鋰離子，提高鋰離子電池的比容量和循環(huán)壽命。

應(yīng)用場(chǎng)景

1 MOF用于透明電子器件

如何利用MOF開(kāi)發(fā)具有高導(dǎo)電性、高靈敏度和室溫工作的透明電子器件

使用Keithley 2400，加壓測(cè)流

主要用于評(píng)估Ni-CAT-1-on-SLG構(gòu)筑物作為透明電子傳感器在室溫下對(duì)氣體分子的檢測(cè)性能,包括檢測(cè)限、線性響應(yīng)范圍、氣體識(shí)別等。

■ 電化學(xué)測(cè)試,評(píng)估Ni-CAT-1-on-SLG構(gòu)筑物對(duì)氣體分子(如NH?、CO、O?)的檢測(cè)性能,包括檢測(cè)限、線性響應(yīng)范圍等。

■ 通過(guò)電子響應(yīng)曲線擬合,提取氣體分子吸附動(dòng)力學(xué)參數(shù)k,并與氣體濃度呈現(xiàn)線性關(guān)系,反映了MOF與氣體分子之間的特異性相互作用。

■ 測(cè)量Ni-CAT-1-on-SLG構(gòu)筑物在吸附-脫附平衡時(shí)的電子響應(yīng)r0,與氣體濃度c呈現(xiàn)Langmuir-Freundlich化學(xué)吸附模型的線性關(guān)系。

■ 通過(guò)不同氣體分子的特征k值和r0,實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體類型的無(wú)歧義識(shí)別。

2 雙金屬金屬-有機(jī)骨架衍生碳納米管骨架增強(qiáng)電容去離子和鋅空氣電池

提高了所得CNTF的性能，可用于制造柔性高性能鋅-空氣電池

使用Keithley SMU-2400源表儀測(cè)量電導(dǎo)率變化,以評(píng)估電極的離子吸附性能

3 將酸性金屬有機(jī)框架(MOF) MIL-53-COOH組裝到聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)單個(gè)納米通道(NC)中來(lái)開(kāi)發(fā)生物啟發(fā)型人工離子通道的過(guò)程。

作為概念驗(yàn)證,PET/MOF納米離子器件被證明可通過(guò)逆電滲析作為高效的納米發(fā)電機(jī)。

使用Keithley 6487和6517B皮安表對(duì)PET NC、PET@EDA NC和PET/MOF NC的離子傳輸特性進(jìn)行了測(cè)試。具體來(lái)說(shuō)：

■ 將單個(gè)納米通道夾在兩個(gè)裝有相同濃度氯化物鹽溶液(KCl、NaCl或LiCl,pH 5.8)或HCl溶液的腔室之間。

■ 使用Ag/AgCl電極施加跨膜電位,其中陽(yáng)極放置在面向納米通道基面一側(cè)的腔室中。

■ 主要使用從-2V到+2V的掃描電壓進(jìn)行I-V測(cè)量,每個(gè)測(cè)量至少重復(fù)3次以獲得特定電壓偏置下的平均電流。

這些測(cè)試有助于研究PET/MOF納米通道的離子整流特性。

4 一維(1D)導(dǎo)電金屬有機(jī)框架(MOF)DDA-Cu的合成和表征

使用Keithley 4200SC半導(dǎo)體參數(shù)分析儀完成了以下測(cè)試:

■ 電流-電壓(I-V)曲線測(cè)量

■ 電導(dǎo)率(k)評(píng)估

此外，所有性能測(cè)試都是在Keithley 4200SC半導(dǎo)體參數(shù)分析儀上進(jìn)行的。

使用Keithley 2400，加壓測(cè)流

主要用于評(píng)估Ni-CAT-1-on-SLG構(gòu)筑物作為透明電子傳感器在室溫下對(duì)氣體分子的檢測(cè)性能,包括檢測(cè)限、線性響應(yīng)范圍、氣體識(shí)別等。

■ 電化學(xué)測(cè)試,評(píng)估Ni-CAT-1-on-SLG構(gòu)筑物對(duì)氣體分子(如NH?、CO、O?)的檢測(cè)性能,包括檢測(cè)限、線性響應(yīng)范圍等。

■ 通過(guò)電子響應(yīng)曲線擬合,提取氣體分子吸附動(dòng)力學(xué)參數(shù)k,并與氣體濃度呈現(xiàn)線性關(guān)系,反映了MOF與氣體分子之間的特異性相互作用。

■ 測(cè)量Ni-CAT-1-on-SLG構(gòu)筑物在吸附-脫附平衡時(shí)的電子響應(yīng)r0,與氣體濃度c呈現(xiàn)Langmuir-Freundlich化學(xué)吸附模型的線性關(guān)系。

■ 通過(guò)不同氣體分子的特征k值和r0,實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體類型的無(wú)歧義識(shí)別。

泰克相關(guān)方案對(duì)應(yīng)測(cè)試設(shè)備 

▲ 4200A-SCS半導(dǎo)體參數(shù)分析儀

?  I-V源測(cè)量單元 (SMU)：支持 ±210V/1A，最小測(cè)量分辨率達(dá)10aA，提供10mHz - 10Hz 頻率的超低頻電容測(cè)量，支持四象限操作和2線或4線連接。

?  C-V多頻率電容單元(CVU)：頻率范圍1kHz - 10MHz，內(nèi)置 ±30V DC偏置源（可擴(kuò)展到±210V），支持AC阻抗測(cè)量 (C-V, C-f, C-t) 和I-V/C-V簡(jiǎn)便切換。

?  脈沖式I-V單元(PMU) 與高壓脈沖發(fā)生器 (PGU)：提供±40V、±800mA，200MSa/s 采樣率，支持任意波形Segment ARB?模式，10ns 分辨率，適用于高速脈沖 I-V 測(cè)量。

?  多通道開(kāi)關(guān)模塊(CVIV)與遠(yuǎn)程前端放大器 (RPM)：支持I-V、C-V和超快速脈沖I-V測(cè)量間自動(dòng)切換，擴(kuò)展電流靈敏度至數(shù)十皮安，減少電纜電容效應(yīng)。

▲ 2400數(shù)字源表系列

?  多合一功能：集成I-V源與測(cè)量，支持20W~100W直流、1000W脈沖，覆蓋1100V至1μV和10A至 10pA 范圍，具備四象限源和阱工作能力。

?  高精度與高效測(cè)量：提供0.012%基礎(chǔ)測(cè)量精度（6位半分辨率），支持1700讀數(shù)/秒（4位半分辨率），并具備通過(guò)/失效比較器功能。

?  靈活連接與控制：支持2線、4線和6線遠(yuǎn)程電壓源和測(cè)量感測(cè)，具備可編程DIO端口，適用于自動(dòng)化控制和探針管理。

?  兼容性與接口：標(biāo)配SCPI GPIB、RS232及吉時(shí)利觸發(fā)鏈路，支持高速感測(cè)線接觸檢查功能，確保便捷的系統(tǒng)集成與控制。

小結(jié)

keithley源表在金屬有機(jī)框架（MOF）研究上的測(cè)試應(yīng)用。keithley源表是一種高性能的儀器，可以同時(shí)提供電壓和電流的源和測(cè)量功能，并且具有高分辨率、高精度和高靈敏度的特點(diǎn)。keithley源表可以用于測(cè)量MOF的電化學(xué)性質(zhì)，例如電導(dǎo)率、電容、阻抗等，以及對(duì)溫度、濕度、氣體等外界因素的響應(yīng)。keithley源表還可以與其他儀器結(jié)合，如光譜儀、顯微鏡等，實(shí)現(xiàn)多維度的MOF表征。通過(guò)keithley源表的測(cè)試，可以深入了解MOF的結(jié)構(gòu)、功能和機(jī)理，為其在催化、傳感、吸附、分離等領(lǐng)域的應(yīng)用提供有效的指導(dǎo)。

引用

?  Wang, W., Chen, D., Li, F., Xiao, X., & Xu, Q. (2023).

Metal-organic-framework-based materials as platforms for energy applications. Chem, 9(10), 2331-2352.

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?  Zhang, Y., Li, X., Wang, H., Zhou, Z., & Liu, J. (2019). 

Advanced functional materials for flexible and wearable sensors. Advanced Science, 6(15), 1802050. 

https://doi.org/10.1002/advs.201903003

?  Liu, S., Chen, Y., Wang, Z., & Li, Y. (2019).

Recent advances in nanomaterials for electronics and energy applications. Frontiers in Chemistry, 7, 449. 

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?  Lu, J., Xu, H., Yu, H., Hu, X., Xia, J., Zhu, Y., Wang, F., Wu, H.-A., Jiang, L., & Wang, H. (2022).

Ultrafast rectifying counter-directional transport of proton and metal ions in metal-organic framework–based nanochannels. Science Advances, 8(14), eabl5070.

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?  Wang, X., Li, Q., Zhang, Z., & Chen, Y. (2022).

Emerging applications of 2D materials in bioelectronics and biosensors. Nature Communications, 13, 35315.

https://doi.org/10.1038/s41467-022-35315-0