Покрытие поверхности взаимосвязанных массивов нанопроволок Cu2O HKUST

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 13858 (2023) Цитировать эту статью

139 доступов

Подробности о метриках

Контроль кристаллизации металлоорганических каркасов (MOF) на наноуровне в настоящее время является сложной задачей, и это препятствует их использованию для различных приложений, включая фото(электро)химию и сенсоры. В этой работе мы показываем синтетический протокол, который позволяет получать высокооднородные нанопроволоки Cu2O@MOF, стоящие на проводящей подложке, с широким контролем над кристаллизацией наночастиц MOF на поверхности нанопроволок Cu2O. Нанопроволоки Cu2O сначала были получены методом шаблонного электроосаждения, а затем частично преобразованы в известный Cu-MOF HKUST-1 методом импульсного электрохимического окисления. Мы показываем, что использование ПВП в качестве блокирующего агента при электрохимическом окислении Cu2O в HKUST-1 обеспечивает контроль роста нанокристаллов MOF на поверхности нанопроволок Cu2O и что размер получаемых кристаллов MOF можно регулировать. за счет изменения концентрации ПВП, растворенного в электролите. Кроме того, мы предлагаем использовать бензойную кислоту в качестве альтернативы для достижения контроля над размером получаемых нанокристаллов MOF, когда следует избегать использования покрывающего агента.

Металлоорганические каркасы (МОФ) представляют собой класс кристаллических нанопористых материалов, которые имеют большие перспективы для широкого спектра применений, включая хранение газа1, разделение газов2, сенсоры3, доставку лекарств4 и гетерогенный (фото)катализ5,6,7. В последние годы в сообществе MOF все больше усилий уделяется разработке синтетических методов, позволяющих регулировать рост кристаллов MOF в наномасштабном режиме8, т.е. так называемых нано-MOF, которые включают микроволновые9, сонохимические10, сольвотермальные11, микроэмульсионные12 и капельный микрофлюидный синтез13. Контроль размера кристаллов MOF на наноуровне особенно важен в области гетерогенного катализа, где диффузия реактивных частиц через нанопористую структуру MOF играет очень важную роль с точки зрения эффективности14.

Другим классом синтетических методов, который считается весьма перспективным с точки зрения технологичности и крупномасштабного получения МОК, является электрохимический синтез15,16,17. Среди всех различных электрохимических методов, включая анодное окисление18, восстановительное депротонирование19, гальваническое замещение20 и электрофоретическое осаждение21, анодное окисление металлической подложки, погруженной в электролит, содержащий соответствующий органический линкер, является наиболее широко используемым, поскольку оно имеет ряд преимуществ, включая мягкие синтетические условия. , нетоксичные растворители и короткое время реакции. На сегодняшний день методом анодного окисления синтезированы многие известные MOF, в том числе HKUST-122, ZIF-823, MIL-10024, MOF-525 и UiO-6626.

Помимо металлических подложек, в качестве исходных материалов для получения МОК методом анодного окисления также можно использовать оксиды металлов при условии, что катионы металлов могут подвергаться дальнейшему окислению. Например, ионы Cu+ в Cu2O могут дополнительно окисляться до Cu2+, способствуя образованию MOF на основе Cu. Насколько нам известно, электрохимический синтез МОК на основе меди прямым анодным окислением Cu2O еще не изучен. Однако сначала Шефер и др.27 показали, а затем подтвердили в нашей недавней работе28, что Cu2O образуется в качестве промежуточного продукта во время электрохимического превращения металлической Cu в MOF HKUST-1, и поэтому мы предполагаем, что Cu2O также может быть непосредственно использован в качестве исходного материала для электрохимического получения MOF на основе меди. Кроме того, HKUST-1 также был получен с использованием таких методов, как химическое осаждение из паровой фазы (CVD), сольвотермический или золь-гель синтез путем конверсии прекурсоров на основе меди, включая пленки Cu или CuO и гидроксид Cu(II)29,30,31.

Наноструктуры Cu2O были предложены в качестве многообещающих кандидатов для ряда приложений, включая фотовольтаику32, фотоэлектрохимическое расщепление воды33, литий-ионные батареи34, датчики35 и катализ36. Нанопроволоки Cu2O, в частности, привлекли внимание в области фотоэлектрохимического (PEC) расщепления воды37, поскольку их форма обеспечивает эффективное поглощение света по всей длине, тогда как неосновные носители заряда могут собираться по их диаметру, эффективно преодолевая проблемы, связанные с хорошо известное несоответствие между глубиной поглощения света и длиной диффузии неосновных носителей заряда этого материала38,39.