福建物构所徐刚Angew：基于MOF薄膜的高性能化学电阻传感器

通讯作者：徐刚

通讯单位：中国科学院福建物质结构研究所

具有高取向和可控厚度的高质量MOF薄膜非常适合应用。然而，它们仅在平面基板上成功制造。MOF 2D薄膜受到曝光面积低和质量传输缓慢的限制。

为了克服这些问题，中国科学院福建物质结构研究所徐刚教授课题组首次在纳米线阵列(NWA)衬底上以可控的逐层方式(LBL)成功制备了具有良好结晶度、择优取向和纳米级厚度精确可控的MOF3D薄膜。相关工作以“Layer-by-layer Growth of Preferred-Oriented MOF Thin Film on Nanowire Array for High-Performance Chemiresistive Sensing”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。

图1. PANI微阵列pH传感器制备和表征。

要点1. 将TiO2纳米线阵列在45°C下分别反复浸入Cu2+离子溶液和2, 3, 6, 7, 10, 11-六羟基苯并亚苯(HHTP)配体溶液中制备Cu-HHTP 3D薄膜。

要点2. 透射电子显微镜（TEM）和粉末X射线衍射（PXRD）研究了Cu-HHTP 3D薄膜的择优取向和受控LBL生长过程。与2D薄膜相比，Cu-HHTP 3D薄膜具有更大的表面积和更短的电荷和质量传输路径。

要点3. 半导体CuHHTP3D薄膜被制造为室温化学电阻NH3气体传感器，比相应的二维薄膜，其响应增强了2.5倍(对1 ppm NH3)，优化检测限(LOD)提高了1000多倍，响应速度快了2.3倍。这项工作提供了一种可行的方法来生长优先取向的3D MOF薄膜，为构建基于MOF的异质结构用于高级应用提供了新的视角。

图2.(a)Cu-HHTP的晶体结构。(b)在TiO2-NWAs基板上生长的Cu-HHTP 3D薄膜的扫描电子显微镜(SEM)图像。(c)FETEM图像和(d)TiO2纳米线上的Cu-HHTP薄膜的晶格条纹。(e)Cu-HHTP3D薄膜中晶畴优选取向角的统计分析。(f)HAADF EDS元素映射。

图3. (a)MOF 3D薄膜器件的示意图和光学照片。(b) Cu-HHTP 3D薄膜、TiO2-NWAs/蓝宝石衬底的PXRD和Cu-HHTP的模拟。(c)20 nm Cu-HHTP 3D薄膜和TiO2NWA基板的I-V曲线。(d)Cu-HHTP3D薄膜对10 ppm NH3的厚度依赖性响应。Cu-HHTP-20 nm 3D薄膜的传感性能：(e)浓度相关响应-恢复曲线，(f)响应-浓度log-log图，(g)对5 ppb NH3的响应，(h)响应比较：Cu-HHTP粉末、2D薄膜和3D基于薄膜的RT NH3传感器的(1ppm)、LOD(ppm)和响应时间(min)。(i)对NH3和100 ppm干扰气体的响应。

链接：https://doi.org/10.1002/anie.202111519