遇水重生：从三维有机晶体到二维无机单晶的秒级转变

在晶体结晶度没有明显损失情况下发生的结构转变被称为单晶—单晶转变。单晶—单晶转变在晶体工程领域具有重要的研究价值，它被广泛地应用于研究材料的构效关系和制备新材料。当结构发生变化时，可以通过化学键旋转、拉伸等来抵消晶格应变从而保持原有的结晶度。因此，大部分由单晶—单晶转变制备得到的新晶体的结构与母体结构具有很强的相关性。然而，当涉及配位键断裂和母体框架的剧烈变化时，很难避免结晶度的损失。因此，截止到目前，结构剧烈变化的单晶—单晶转变还没有被报道。

近日，武汉大学付磊教授（点击查看介绍）课题组利用液态金属镓（Ga）和母体晶体金属有机框架材料（MOF）之间的相互作用，当加入引发剂水时，即可触发从三维MOF到二维层状双金属氢氧化物（LDH）超快、剧烈的单晶—单晶转变，整个过程仅需10秒。这主要是因为MOF中金属原子的排列与LDH中金属原子的排列相似，转变后的LDH继承了MOF的有序的金属原子排列。此外，MOF本身的有序孔道有利于离子的扩散，从而避免冗长的反应过程。

图1. 单晶—单晶转变过程示意图

通过单晶—单晶转变制备得到的二维层状双金属氢氧化物同时具有超薄和高结晶性的优势，使其光催化二氧化碳还原的活性得到明显提升。此外，基于MOF组分可调的优势，可以通过调控MOF中金属组成来设计合成含有多种金属元素的氢氧化物，例如：ZnGa-LDH、CoGa-LDH、ZnCoGa-LDH。

图2. 超薄LDH单晶的结构表征

这种独特的转变引入了新型的转变机制，有望拓展单晶—单晶转变领域的研究范围，同时也为制备高结晶性的二维材料提供了新思路。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是武汉大学博士研究生王文婕和硕士研究生王耀。

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Ultrafast Single-Crystal-to-Single-Crystal Transformation from MOF to 2D Hydroxide

Wenjie Wang, Yao Wang, Runze He, Xiaozheng Wang, Zheng Shen, Xiaocang Han, Alicja Bachmatiuk, Wen Wen, Mark H. Rümmeli, Pan Liu, Mengqi Zeng, Lei Fu

Adv. Mater., 2021, 33, 2106400, DOI: 10.1002/adma.202106400

导师介绍

曾梦琪，武汉大学副教授。主要研究方向为以器件应用导向的二维材料的精准合成。目前已以通讯作者或第一作者身份在Nat. Mater.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem、Matter、Chem. Rev.和Acc. Chem. Res.等期刊上发表论文31篇。作为主要完成人翻译国内首部石墨烯学术专著（《石墨烯：基础及新兴应用》（科学出版社）。任SmartMat期刊青年编委。

付磊，武汉大学教授，博士生导师，国家自然科学基金委杰出青年基金获得者。始终聚焦于液态金属的前沿应用，致力于利用液态金属作为一种新的反应媒介来实现材料制造。成功解决了原子晶体在生长方面的瓶颈问题，如：层数可控、带隙可调、阵列构筑等，取得了一系列原创性成果。获中国科学院院长特别奖、中国化学会青年化学奖、武汉市优秀青年科技工作者称号等。现任中国化学会奖励推荐委员会委员、纳米化学专业委员会委员、青年化学工作者委员会委员，担任Natl. Sci. Rev.编辑组成员、科学通报、Sci. China Mater.、Chin. J. Chem.、Adv. Chem. Res.期刊编委等学术职务。

付磊

https://www.x-mol.com/university/faculty/13589 

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