二维（2D）导电金属有机框架（MOFs）由于其结构可调性和优异的电学性能引起了广泛的研究兴趣。尽管2D导电MOFs的开发已取得了重要进展，但其拓扑结构仍然局限于简单的镶嵌图案（通常为单一的六边形或四边形）。这种限制通常是由于将不同类型的孔集成到同一框架中非常具有挑战性。而异质孔导电MOFs拥有独立修饰不同类型孔的能力，可以将不同的功能引入孔隙中以实现集成的功能，从而能够开发用于能量存储、催化、传感的高度通用和多功能的活性位点。目前同时具有高电导率和异质孔的2D MOF相当有限。构建异质孔2D导电MOF的主要挑战在于多环芳烃配体的设计和合成，该配体需要既能够满足生成异质孔的尺寸和几何形状要求，同时又要确保可形成有利于电子传导的路径。

近日，中国科学技术大学孟征课题组和谈军军研究员合作在Angew. Chem. Int. Ed.杂志上发表论文，设计了一种新型的高度分枝共轭的平面配体十二羟基六苯并三亚萘（DHHBTN），并以此制备了一系列同时拥有矩形孔与六边形孔的2D共轭MOF，命名为M-DHHBTN（M为Co、Ni和Cu）。其中Cu-DHHBTN被证明具有室温高电导率（0.21 S/cm）的特点。

图1. M-DHHBTN MOFs的合成示意图

三种MOFs材料是通过溶剂热法制备的，粉末X射线衍射证实了三种基于DHHBTN的MOFs的成功构建。Pawley精修与结构模拟的衍射图案取得了很好的一致性。

图2. M-DHHBTN MOFs的粉末X射线衍射图与结构模型

扫描电子显微镜显示三种材料均为棒状形貌，高分辨透射电子显微镜给出了Co-DHHBTN、Ni-DHHBTN与Cu-DHHBTN不同堆积模式的证据，并在沿c方向获得的图像中观察到近似六边形的衍射斑点。

图3. M-DHHBTN MOFs的扫描电镜图像与高分辨透射电镜图像

Cu-DHHBTN的电导率在298K时可达到0.21 S cm-1（四探针法）。该值与经典导电MOF Cu-HHTP在同一数量级。多晶颗粒的电导率随着温度的升高几乎呈指数级增加，表明其具有显著的半导体行为。M-DHHBTN MOFs的载流子迁移率通过光泵浦太赫兹探测进行了测量，其导电行为与Drude-Smith模型拟合良好，室温迁移率范围为0.69到3.10 cm2 V-1 s-1。

图4. M-DHHBTN MOFs的电导率与载流子迁移率测量

这项研究展示了使用多连接位点的高度分枝共轭配体构建高导电性和异质孔2D框架材料的可行性，对把2D MOF中高导电性和分级孔集成到更高水平提供了一定见解。

这一研究成果近期发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）上，文章的共同第一作者是中国科学技术大学博士研究生杨明宇和张毅，通讯作者为中国科学技术大学孟征教授与谈军军研究员。

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Two-Dimensional Conjugated Metal–Organic Frameworks with a Ring-in-Ring Topology and High Electrical Conductance

Mingyu Yang, Yi Zhang, Renlong Zhu, Junjun Tan, Jinxin Liu, Wei Zhang, Meng Zhou, Zheng Meng

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202405333

导师介绍

孟征

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