【HOF气体检测】：一种可溶液加工的卟啉基氢键有机框架用于光电化学检测二氧化碳

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摘要:
复旦大学李鹏和福建师范陈邦林教授发表的这篇文章(Angew. Chem.Int. Ed.2023,62, e2023114)中报道了一种基于多重氢键的多孔有机框架材料FDU-HOF-2,该材料可以通过简单的溶液加工方法制备成大面积(最大23500平方微米)、可控厚度(0.298-2.407微米)和高纵横比(最高9791)的二维片状结构。FDU-HOF-2具有微孔结构,并且其中的三嗪基团可以选择性识别和吸附二氧化碳。将FDU-HOF-2原位生长在电极表面,制备的光电化学传感器对二氧化碳具有宽检测范围(5-400ppm)、极低检测限(2.3ppm)和优异的选择性,并展现出良好的重复使用性能(至少30个循环)和长期稳定性(至少30天)。

研究背景:
1）检测复杂气体混合物中的二氧化碳具有挑战,因为环境中存在其他活性气体会干扰检测。
2）目前已有多种检测二氧化碳的方法,如电化学传感器、荧光分析、红外传感器等,但都存在一定局限性,无法很好地应用于复杂环境中。
3）作者提出采用光电化学(PEC)技术,结合具有高选择性识别位点的多孔有机框架材料,来实现对二氧化碳的高灵敏高选择性检测。

实验部分:
1）合成了基于卟啉和三嗪基团的氢键有机框架材料FDU-HOF-2,并通过X射线衍射、气体吸附等表征了其结构和微孔性质。
2）采用液/液扩散法制备了大面积、可控厚度的FDU-HOF-2二维片层结构,通过SEM、STM、Cryo-EM等表征了其形貌和生长机理。
3）将FDU-HOF-2原位生长在电极表面,制备了光电化学传感器,并测试了其对二氧化碳的响应性能,包括检测范围、检测限、选择性、重复使用性能和长期稳定性等。

分析测试:
1）通过X射线衍射和CO2吸附等测试,证实了FDU-HOF-2的结晶性和微孔性,比表面积为250m2/g。
2）通过扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜和冷冻电镜等表征手段,直观观察到FDU-HOF-2的二维片层结构和有序孔道结构。
3）通过紫外-可见漫反射光谱测试,计算得到FDU-HOF-2的带隙为2.51电子伏。
4）通过电化学阻抗谱测试,证实FDU-HOF-2片层原位生长在电极上可以大幅降低电荷转移电阻。

总结:
1）该工作报道了一种简单的溶液加工方法制备大面积、可控厚度的二维氢键有机框架材料FDU-HOF-2,并将其应用于光电化学检测二氧化碳。
2）所制备的传感器对二氧化碳具有宽检测范围、极低检测限、优异选择性、良好重复使用性能和长期稳定性。这为进一步开发基于溶液加工的半导体氢键有机框架材料及其器件应用提供了新思路。

展望:
1）进一步研究二维片层FDU-HOF-2的形貌控制（尺寸、厚度）及机理。
2）进一步研究该二维片层材料的大规模制备。

A Solution-Processable Porphyrin-Based Hydrogen-Bonded Organic Framework for Photoelectrochemical Sensing of Carbon Dioxide
文章作者：Chen Wang, Xiyu Song, Yao Wang, Rui Xu, Xiangyu Gao, Prof. Cheng Shang, Peng Lei, Qingdao Zeng, Prof. Yaming Zhou, Prof. Banglin Chen, Dr. Peng Li
DOI：10.1002/anie.202311482
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202311482?saml_referrer