GTUB3是第一个既能导电又能发光的微孔金属有机固体

柏林工业大学的研究人员开发了一种来自微孔金属有机骨架(MOF)化合物的新材料。一方面，此类化合物可以储存小分子和气体，例如氢气、CO2甚至毒素。另一方面，大孔隙导致的大表面积意味着它们也适合用作超级电容器等电极的材料，其充电速度比传统电池快得多。

一项描述这项工作的研究发表在《高级光学材料》杂志上。

迄今为止的问题是大多数MOF的导电性都非常差。研究人员创造的这种名为GTUB3的新材料既是良导体，又具有极其稳定的化学和热稳定性。它的独特之处在于它也是光致发光的，这意味着它在受到光线照射时会发光。因此，它也可以用于光电应用和太阳能电池。

金属有机框架或MOF被认为是现代化学中最令人兴奋的材料类别之一。它们由直接与有机分子结合的金属原子组成。“过去，我们只重视这种晶体结构的美感。其中一些实际上让人想起摩洛哥瓷砖，”柏林工业大学过程科学学院III的GündoğYücesan博士解释说。“今天让它们变得有趣的是许多空腔使微孔MOF成为理想的存储介质以及它们的大表面，这有助于反应。”

模块化结构

最重要的是，由于分子的模块化结构，可以以高度系统化的方式开发此类物质中的新化合物。

无机构建单元(或IBU)通过长链有机支柱(换句话说，连接器)相互连接。这使得能够形成大规模的基本结构，然后将其分层重复或作为积木堆叠以形成晶体。

耐热且化学稳定

虽然已经有超过100,000个MOF，但该研究领域的某些领域迄今进展甚微。“特别是关于含磷的微孔MOF，目前只有不到50种，”Yücesan说。

“他们激起了我们的兴趣，因为第一个已知的磷MOF被证明在热和化学上非常稳定。”这些是电极材料的理想特性，必须能够在电解质或什至酸中长期耐受，包括在反应过程中变热时。

在所有三个空间方向上导电

主要问题是MOF通常是绝缘体——对于需要电荷载流子流过的电极来说，这是一种较差的基本特性。作为回应，2020年，Yücesan和他的团队与其他大学和研究机构合作，设计了两种具有更高电导率的微孔磷MOF，“TUB75”和“TUB40”(以柏林工业大学命名)。

GTUB3的创建为纪念土耳其盖布泽技术大学的贡献提供了机会。除了膦酸外，新化合物还含有金属铜和锌以及由四个碳环组成的卟啉。所有这些起始材料都很便宜，可以大量获得并且对人类和环境无毒。与它的两个前身不同，半导体GTUB3在所有三个空间方向上具有相同的导电性，并且耐温高达400摄氏度。

汽车、公共汽车和火车超级电容器的潜力

Yücesan看到了GTUB3在改进超级电容器方面的巨大潜力，例如在公共汽车和火车以及一些汽车中用于回收制动能量的短期电力存储。

这些超级电容器是电化学储能设备，具有非常高的功率密度，充电速度比传统电池快很多倍。然而，它们储存的能量远少于相同质量的电池。新的电极材料——例如GTUB3——旨在缩小这一差距。“这种新化合物还适用于工业中常用的薄膜工艺，用于在基板上应用，”Yücesan解释道。

LED和太阳能电池的有趣特性

作为一种额外的好处，GTUB3也是光致发光的，这意味着它在受到照射时会发光。这对于发光二极管(LED)和太阳能电池的功能至关重要。

Yücesan说，这一系列的特性使新材料成为开发整个磷基MOF家族的理想起点。“膦酸还具有大量与金属结合的可能性，这为我们的开发工作提供了广阔的空间。”柏林工业大学已经为这个家族的核心GTUB3申请了专利。