【原】毛蘭群&蔣亞楠&夏帆Angew.：自組裝2D光熱MOFs膜高效離子門控！

崛步化學(xué) 2023-03-23 發(fā)布于北京

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研究?jī)?nèi)容

生物離子通道是一種形成孔的跨膜蛋白，它通過(guò)響應(yīng)各種化學(xué)和電刺激打開(kāi)或關(guān)閉孔來(lái)調(diào)節(jié)單反離子在細(xì)胞膜上的運(yùn)輸，這對(duì)神經(jīng)元信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和其他生物過(guò)程至關(guān)重要。目前，一系列智能門控納米流體系統(tǒng)響應(yīng)各種外部刺激被大量研究，如離子、分子、pH、溫度和光。然而，對(duì)于復(fù)雜的化學(xué)改性過(guò)程，這些策略并不容易執(zhí)行。開(kāi)發(fā)一種更有效、更直接的方法，賦予人造多孔材料高離子門控效應(yīng)的功能仍然具有挑戰(zhàn)性。

北京師范大學(xué)毛蘭群教授、蔣亞楠副教授和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）夏帆教授提出了一種基于自組裝二維（2D）金屬有機(jī)框架（MOF）膜的高效智能的離子門控系統(tǒng)，用于智能調(diào)節(jié)離子傳輸。該離子門控系統(tǒng)表現(xiàn)出極高的開(kāi)關(guān)比（高達(dá)104）。相關(guān)工作以“Highly-Efficient Ion Gating through Self-Assembled Two Dimensional Photothermal Metal-Organic Framework Membrane”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

研究要點(diǎn)

要點(diǎn)1. 作者首先通過(guò)真空過(guò)濾方法，通過(guò)自組裝微米級(jí)超薄MOF片制備了2D MOF膜。形成的定向2D納米通道與MOFs的固有孔相結(jié)合，為離子傳輸提供了豐富的途徑。

要點(diǎn)2. 2D MOF膜作為一種出色的超快光熱效應(yīng)的納米流體平臺(tái)，對(duì)光照射表現(xiàn)出顯著的響應(yīng)，可導(dǎo)致離子通量幾乎完全阻斷，實(shí)現(xiàn)了具有超高門控比的開(kāi)關(guān)功能，開(kāi)關(guān)比高達(dá)104，這是迄今為止用于光控離子門控的MOF薄膜納米通道中的最高值之一。此外，高離子門控特性與膜厚度或偏置電壓以及電解質(zhì)濃度無(wú)關(guān)。

要點(diǎn)3. 反復(fù)打開(kāi)和關(guān)閉光，自組裝的MOF膜平臺(tái)顯示出卓越的穩(wěn)定性和可逆性，可以通過(guò)開(kāi)關(guān)光來(lái)調(diào)節(jié)離子傳輸。此外，基于MOF膜的納米流體系統(tǒng)可以用作遠(yuǎn)程光開(kāi)關(guān)設(shè)備來(lái)控制LED燈的點(diǎn)亮。

該工作不僅展示了一種用獨(dú)立MOF膜實(shí)現(xiàn)高效離子門控功能的簡(jiǎn)單策略，而且為光控器件在智能傳感、分離和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了巨大的可能性。

研究圖文

圖1.（A）合成Cu-TCPP-MOF片材的示意圖。微米級(jí)超薄MOF的（B）TEM和（C）AFM。（D）層狀結(jié)構(gòu)的自組裝MOF膜橫截面SEM。插圖：MOF膜照片。（E）MOF膜的平面內(nèi)和平面外XRD。

圖2.（A）MOF膜的橫向離子傳輸?shù)募{米流體裝置的示意圖。（B）在不同濃度的KCl電解質(zhì)中測(cè)量的MOF膜的離子電導(dǎo)。（C）不同厚度MOF膜的電流-電壓（I-V）曲線和（D）在5 V偏置電壓下的對(duì)應(yīng)電流。

圖3.（A）MOF膜在不同時(shí)間用420 nm波長(zhǎng)的可見(jiàn)光照射（光功率密度：120 mW cm^-2）的光熱測(cè)量和紅外相機(jī)照片。（B）MOF膜隨時(shí)間變化的溫度。（C）MOFs的UV-vis吸收光譜和MOF膜在不同光波長(zhǎng)下的光響應(yīng)平衡溫度。

圖4.（A）光控離子傳輸機(jī)制的示意圖。（B）打開(kāi)和關(guān)閉燈可逆切換橫向離子傳輸。（C）不同厚度膜的開(kāi)關(guān)比。（D）有和沒(méi)有光照射MOF膜的I-V曲線。插圖：MOF膜在5 V偏置電壓下，在光打開(kāi)和關(guān)閉下三個(gè)循環(huán)的電流。（E）MOF膜溫度變化隨時(shí)間變化的數(shù)值模擬。（F）模擬電流值范圍從初始打開(kāi)狀態(tài)到關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)用光照射約10秒時(shí)急劇下降。