金屬有機(jī)骨架材料的低導(dǎo)熱性能，限制了其在熱相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。在此，來(lái)自美國(guó)普渡大學(xué)和武漢大學(xué)等單位的研究者，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單而直接的制造方法，即激光沖擊誘導(dǎo)蒸發(fā)，在MOF晶體的表面沉積均勻的液態(tài)金屬納米顆粒(LMNP)薄層，從而得到MOF@LMNP納米復(fù)合材料。相關(guān)論文以題為“Liquid metal nanolayer-linked MOF nanocomposites by laser shock evaporation”發(fā)表在Matter上。

多孔晶體材料，如沸石和金屬-有機(jī)框架(MOFs)，在能源和環(huán)境科學(xué)中是十分有用的。近年來(lái)，MOFs在水捕捉和能源領(lǐng)域的應(yīng)用，為解決水和能源危機(jī)的新途徑的開發(fā)提供了新思路。通過(guò)金屬接頭和有機(jī)接頭的有序和交替排列，MOFs非常適合于在其高多孔、化學(xué)定義和拓?fù)湄S富的晶體結(jié)構(gòu)中捕獲、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換和釋放客體分子。盡管在催化、藥物輸送、氣體存儲(chǔ)/分離、電化能存儲(chǔ)、光學(xué)和電子學(xué)方面取得了成就，但在需要高效地進(jìn)行熱和電傳輸?shù)那闆r下，它們的低熱傳導(dǎo)和電導(dǎo)率仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
受本征結(jié)構(gòu)的限制，大多數(shù)MOF材料表現(xiàn)出較低的導(dǎo)熱率和電導(dǎo)率。以往的研究表明，用其他材料涂層MOFs是緩解這些不足的有效策略。金屬是與MOFs復(fù)合的理想候選材料，可以提高熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率；然而，金屬在MOF粒子上加工成薄層具有挑戰(zhàn)性，特別是在納米尺度上，因?yàn)樗鼈兊墓虘B(tài)性質(zhì)和高溫加工時(shí)會(huì)對(duì)MOF產(chǎn)生損傷。
在這里，研究者提出了一種新的策略，在不改變MOF晶體結(jié)晶度和孔隙率的情況下，在MOF晶體表面沉積致密和均勻的金屬納米層。本文采用激光沖擊蒸發(fā)技術(shù)，在MOF晶體表面沉積液態(tài)金屬(LM)作為導(dǎo)熱劑。不同于其他物理混合石墨顆粒和MOF的方法，以及在MOF晶體與熱媒接觸面積有限的金屬結(jié)構(gòu)上沉積MOF層的方法，每個(gè)MOF晶體上的LM納米層提供了MOF和LM之間最大的界面，從根本上降低了熱阻。例如，LM，共晶鎵-銦(74.5 wt % Ga和25.5wt % In)合金，保持了高的熱/電導(dǎo)電性，良好的生物相容性，高流動(dòng)性和穩(wěn)定性，使它們成為具有吸引力的功能添加劑與其他納米材料。然而，由于表面張力能抵抗LM的破壞，阻礙了納米材料表面的均勻分布，因此，需要克服其在室溫下約700 mN m-1的巨大表面張力。為了解決這個(gè)難題，研究者使用了激光作為加工工具，在MOF晶體的復(fù)雜表面上重新分布LM。近年來(lái)，激光已被證明是處理MOF基材料的有效工具。
在此，研究者選擇性地向LM粒子發(fā)射納秒脈沖激光，使LM在密閉空間內(nèi)瞬間加熱和蒸發(fā)，激光的去除導(dǎo)致LM蒸氣在MOF晶體表面瞬間凝結(jié)，形成一層薄薄的LM納米顆粒(LMNPs)。得到的LMNP-密封MOF (MOF@LMNP)復(fù)合材料，繼承了LM的高導(dǎo)熱性和MOF的高孔隙率的優(yōu)點(diǎn)。LMNP層作為3D導(dǎo)熱高速通道，將MOF@LMNP的導(dǎo)熱系數(shù)提高到原始MOFs的5倍。在測(cè)量了該復(fù)合材料的大氣捕水能力后，通過(guò)增強(qiáng)傳熱和加速放水動(dòng)力學(xué)，該復(fù)合材料能迅速釋放所吸收的水分，并在3 min內(nèi)使水分生產(chǎn)率提高一倍。

圖1 MOF@LMNP制作原理圖。

圖2 純MOF, MOF + LM, MOF@LMNP的表征。

圖3 三種不同材料的水分蒸發(fā)性能。

圖4 室外集水器集水性能。
在此，研究者報(bào)道了一種簡(jiǎn)便、無(wú)損的激光沖擊蒸發(fā)技術(shù)，來(lái)合成LM納米層連接的MOFs。獲得的MOF@LMNP復(fù)合材料繼承了LMs的高導(dǎo)熱性，同時(shí)保持了MOFs的高孔隙率。與原始MOF-801相比，MOF-801@LMNP復(fù)合材料表現(xiàn)出更強(qiáng)的脫附/吸附動(dòng)力學(xué)。研究者的激光沖擊蒸發(fā)方法，能夠以一種簡(jiǎn)單、低成本的方式結(jié)合LM和MOFs的優(yōu)點(diǎn)。考慮到MOFs的數(shù)量之多以及它們獨(dú)特的性能，MOF@LMNP材料在水收集方面的應(yīng)用只是催化劑、電池、傳感器等眾多應(yīng)用中的冰山一角。

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