基于稀土发光MOF的质子电导率及湿度传感

注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析

金属有机框架（MOF）作为一类新型的多功能材料，在催化、吸附、检测等领域表现出独特的优势，其中具有质子传导功能的MOF材料因孔道结构具有可调性，成为一类潜在的电导率可调控的质子导体。然而，MOF类材料在水环境中通常不稳定，对于在高湿度环境下MOF类质子导体的实际应用仍然存在巨大挑战。另一方面，MOF类质子导体的质子电导率测量通常只能依靠昂贵的电信号测试平台进行，测量过程也比较耗时。因此，开发高性能、对水稳定的MOF质子导体并实现质子电导率的快速/即时传感将有助于加速MOF材料在质子传导方面的开发与应用。

得益于在稀土掺杂纳米发光材料领域长期的工作积累，南京工业大学的黄岭（点击查看介绍）团队设计并合成了一系列基于稀土和草酸的具有高效质子电导率的MOF材料。室温下湿度区间为28%至98%时，该材料的质子电导率由~10^-7 S•cm^-1上升至~10^-3 S•cm^-1。同时，由于稀土阳离子与草酸根阴离子的强相互配位作用，该系列MOF具有高水稳定性，在水中浸泡15天后仍可保持原有的结构与形貌。另外，引入发光稀土离子可使该MOF材料具有荧光功能。由于水分子对可见光吸收，肉眼即可直接观察到MOF材料的荧光强度随着湿度的增加逐渐减弱。更为重要的是，荧光强度、质子电导率和湿度三者在该MOF材料实现相互关联，为质子电导率和湿度的可视化快速传感提供了新的选择，也为多通道传感材料的研究与制备提供了新的思路。这一成果近期发表在Advanced Materials 上。

图1.（a）室温下MOF材料在不同湿度下的发光光谱；（b）荧光强度、质子电导率和湿度三者的相关性；（c）MOF材料在不同湿度下的荧光成像。

该论文作者为：Kun Zhang, Xiaoji Xie, Hongyu Li, Jiaxin Gao, Li Nie, Yue Pan, Juan Xie, Dan Tian, Wenlong Liu, Quli Fan, Haiquan Su, Ling Huang, Wei Huang

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Highly Water-Stable Lanthanide-Oxalate MOFs with Remarkable Proton Conductivity and Tunable Luminescence

Adv. Mater., 2017, 29, 1701804, DOI: 10.1002/adma.201701804

黄岭教授简介

黄岭当前的研究主要集中在稀土，尤其是钪基纳米发光材料的制备、性能与应用，在Nature、Science、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials、Small 等国际期刊发表SCI论文100余篇，参与撰写英文专著多部，获授权国际发明专利8项，担任Reviews in Nanoscience and Nanotechnology副主编，Journal of American Chemical Society、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials、Small 等国际期刊审稿人，参与并主持多次国际学术会议。

http://www.x-mol.com/university/faculty/27717

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？

A：我们目前的研究兴趣主要是开发基于稀土元素的多功能纳米材料。针对MOF类质子导体存在的水稳定性不理想等基础问题，我们最初期望可以提高材料的水稳定性和质子电导率。同时，我们借鉴了稀土掺杂发光纳米材料合成的思路，利用稀土发光来探索能否实现对质子电导率变化的即时监测。通过合理的设计，我们发现荧光强度、质子电导率和环境湿度三者之间可以相互关联，即MOF材料的质子电导率及其所处环境的湿度变化可以从该材料的荧光强度变化直接反映出来，而荧光强度的变化则可以很容易被肉眼直接识别。为质子电导率和湿度的快速传感提供了新的设计理念。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：该研究中最大的挑战是如何得到高质子电导率的MOF并使其具有敏感的发光功能。在设计之初，我们猜想如果MOF材料中含有发光的稀土离子，如Eu³⁺，材料在可见光区域则会表现出荧光特性。所以在起始阶段，我们尝试合成只含有发光稀土离子Eu³⁺的MOF材料，然而结果并不尽如人意。后来我们通过发光稀土离子的掺杂，并经过掺杂量的定向调控，目标产物才合成出来。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：我们的研究成果在质子电导率、湿度传感变化的直观检测及监测等方面有着潜在的应用。更为重要的是，以往的传感器开发仅仅关注于尽量提高传感材料某一方面的性能，我们的研究成果为基于MOF的多通道传感研究提供了新的思路，将对相关领域的发展产生推动作用。