HKUST로 상호 연결된 Cu2O 나노와이어 어레이 표면 코팅

May 26, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13858(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

나노 규모에서 MOF(금속-유기 구조)의 결정화를 제어하는 ​​것은 현재 어려운 일이며, 이는 광(전기)화학 및 센서를 포함한 여러 응용 분야에 대한 활용을 방해합니다. 이 연구에서 우리는 Cu2O 나노와이어 표면의 MOF 나노입자 결정화를 광범위하게 제어하여 전도성 지지대 위에 서 있는 매우 균질한 Cu2O@MOF 나노와이어를 준비할 수 있는 합성 프로토콜을 보여줍니다. Cu2O 나노와이어는 먼저 템플릿 전착을 통해 제조된 다음 펄스 전기화학적 산화를 통해 잘 알려진 Cu-MOF HKUST-1로 부분적으로 변환되었습니다. 우리는 Cu2O를 HKUST-1로 전기화학적 산화하는 동안 캡핑제로서 PVP를 사용하면 Cu2O 나노와이어 표면의 MOF 나노결정 성장을 제어할 수 있으며, 획득된 MOF 결정의 크기를 조정할 수 있음을 보여줍니다. 전해질에 용해된 PVP의 농도를 변경함으로써. 또한, 캡핑제의 사용을 피해야 하는 경우 획득된 MOF 나노결정의 크기를 제어하기 위한 대안으로 벤조산의 사용을 제안합니다.

MOF(금속-유기 프레임워크)는 가스 저장1, 가스 분리2, 센서3, 약물 전달4 및 이종(광)촉매5,6,7를 포함한 광범위한 응용 분야에 대한 높은 가능성을 보유한 결정질 나노다공성 재료 클래스입니다. 최근 몇 년 동안 MOF 커뮤니티에서는 나노 수준에서 MOF 결정 성장을 조정할 수 있는 합성 방법(즉, 마이크로파9, 초음파화학10, 용매열11, 마이크로에멀젼12 및 액적 기반 미세유체 합성13. 나노규모에서 MOF 결정의 크기 제어는 MOF의 나노다공성 구조를 통한 반응종의 확산이 효율성 측면에서 매우 중요한 역할을 하는 이종 촉매 분야에서 특히 중요합니다14.

MOF의 가공성과 대규모 제조 측면에서 매우 유망한 것으로 간주되는 또 다른 합성 방법은 전기화학적 합성입니다. 양극 산화18, 환원성 탈양성자화19, 갈바니 대체20 및 전기영동 증착21을 포함한 모든 다른 전기화학적 방법 중에서 적절한 유기 링커를 포함하는 전해질에 담근 금속 기판의 양극 산화는 온화한 합성 조건을 포함하여 여러 가지 장점을 갖고 있기 때문에 가장 널리 사용됩니다. , 무독성 용매 및 짧은 반응 시간. HKUST-122, ZIF-823, MIL-10024, MOF-525 및 UiO-6626을 포함하여 지금까지 많은 잘 알려진 MOF가 양극 산화를 통해 합성되었습니다.

금속 양이온이 추가 산화를 겪을 수 있다면 금속 기판 외에도 금속 산화물도 양극 산화를 통한 MOF 제조를 위한 출발 물질로 사용될 수 있습니다. 예를 들어, Cu2O의 Cu+ 이온은 Cu2+로 추가로 산화되어 Cu 기반 MOF의 형성에 유리할 수 있습니다. 우리가 아는 한, Cu2O의 직접적인 양극 산화를 통한 Cu 기반 MOF의 전기화학적 합성은 아직 연구되지 않았습니다. 그러나 Schäfer et al.27에 의해 처음으로 밝혀졌고 최근 연구28에서는 금속 Cu가 MOF HKUST-1로 전기화학적 전환되는 동안 Cu2O가 중간체로 형성된다는 것이 확인되었습니다. 따라서 여기서는 Cu2O가 또한 Cu 기반 MOF의 전기화학적 제조를 위한 출발 물질로 직접 사용됩니다. 또한 HKUST-1은 Cu 또는 CuO 필름 및 Cu(II) 수산화물을 포함한 Cu 기반 전구체의 변환을 통해 화학 기상 증착(CVD), 용매열 또는 졸-겔 합성과 같은 기술을 사용하여 제조되었습니다.

Cu2O 나노구조는 광전지32, 광전기화학 물 분해33, 리튬 이온 배터리34, 센서35 및 촉매작용36을 포함한 다양한 응용 분야에 대한 유망한 후보로 제안되었습니다. 특히 Cu2O 나노와이어는 그 모양이 길이 전체에 걸쳐 효율적인 광 흡수를 가능하게 하는 반면, 소수 전하 캐리어는 직경 전체에 걸쳐 수집될 수 있어 우물과 관련된 문제를 효과적으로 극복할 수 있기 때문에 광전기화학(PEC) 물 분해 분야에서 주목을 받았습니다. 이 물질의 광 흡수 깊이와 소수 전하 캐리어 확산 길이 사이의 불일치가 알려져 있습니다.