MOFs – eller metallorganiska ramverk – är mycket anpassningsbara porösa nätverksfasta ämnen med burar som kan komma i många storlekar och kan attrahera och hålla en mängd olika kemiska komponenter, som koldioxid, metan, och vätgas. Och det är denna mångsidiga specificitet som ger MOF så mycket potential för tillämpningar i nästa generations batterier och i kolavskiljning, bland en växande lista. Trots deras många positiva egenskaper, deras öppna, porös struktur – som håller fast vid elektroner – är inte idealisk för tillämpningar som kräver att elektroner fritt flödar med joner (laddade partiklar) genom en enhet för att skapa en elektrisk ström.

Nu, ett team ledd av forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och UC Berkeley har utvecklat en teknik för att göra en elektriskt ledande MOF som också kan användas för att förbättra ledningsförmågan hos andra MOF. Arbetet redovisades i Naturmaterial .

För att kringgå MOF:ers i sig låga elektriska ledningsförmåga, forskarna lade till en kaliumkemisk blandning till en järnbensendipyrazolat (BDP) MOF. De extra elektronerna som produceras under denna reaktion kan sedan komma in i MOF:s järncentrum och leda elektricitet genom att hoppa längs längden av en kristallaxel av de stavformade kristallerna. Järncentrumet fungerar som en tråd som kan leda elektricitet.

De flesta MOF bryts ned när de utsätts för kalium, men järn BDP MOF har robusta triangulära kanaler som höll upp under en serie tester där varje reaktion ökade materialets elektronantal tills maximal konduktivitet för det materialet nåddes, vilket resulterar i en MOF som leder elektricitet upp till 10, 000 gånger bättre än innan den genomgick kaliumreaktionerna. "Det är fantastiskt att denna arkitektur, en gång inkorporerad i en mikronstor transistorliknande enhet, tillät oss att mäta elektronantalet när det ökade med varje på varandra följande kaliumreaktion, sa Jeffrey Long, senior fakultetsforskare vid Materials Sciences Division vid Berkeley Lab och professor i kemi och kemisk och biomolekylär teknik vid UC Berkeley som fungerade som studiens huvudförfattare.

En annan utmaning i den här studien var att odla MOF:erna så att deras atomer först är perfekt inriktade - elektroner måste färdas i en rak bana för att generera elektricitet - och sedan koppla upp dessa mikronstora enheter för att mäta deras ledningsförmåga. "Det här var otroligt svårt att göra, " sa Long. "Vi kunde inte odla särskilt stora kristaller av denna MOF, och storleken och formen som kristallerna växer i gjorde det svårt att koppla in dem till en enhet. Men vi hittade en väg runt det."

Arbetar med labbet i Peidong Yang, en senior fakultetsforskare vid Materials Sciences Division vid Berkeley Lab och professor i kemi och materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley, forskarna placerade platinakontakter på varje sida av MOF-kristallen, som bara är 10 mikron långa – längden av två röda blodkroppar uppradade sida vid sida. Den nyskapade MOF är en fortsättning på arbetet som först rapporterades av Longs labb 2009.

"Denna MOF har inte bara riktigt hög elektrisk ledningsförmåga, men dess järnkedja i mitten kan översättas till andra MOF:er ganska lätt utan att förlora mycket konduktivitet, sa Michael Aubrey, en tidigare doktorandforskare i Long-gruppen vid UC Berkeley som nu är postdoktor vid Stanford University.

Simuleringar av MOFs elektroniska struktur leddes av Jeff Neaton, chef för Berkeley Labs Molecular Foundry, en DOE Office of Science användaranläggning specialiserad på nanovetenskaplig forskning. Diffraktionsarbete utfördes vid Advanced Photon Source vid Argonne National Laboratory.

Denna tidiga demonstration av en mycket ledande 3D MOF kan båda gott för dess framtida användning som ett allsidigt material för batterier, superkapacitatorer, och bränsleceller. Det kan också inkorporeras i befintliga kompositmaterial för att omvandla dem till porösa ledare. Och eftersom den kaliumreducerade MOF:s organiska komponenter är omkopplingsbara utan att kompromissa med stabilitet eller elektronmobilitet, det kan också användas för att göra olika föreningar för katalysatorer och elektrolyter.

Och framtiden för MOF:er kan bli ännu ljusare när forskarna ser framåt för att "öka ledningsförmågan ytterligare, "Lång sa. "Om vi ​​kan ha denna nivå av konduktivitet i ett material där elektronerna rör sig i en dimension, vi skulle vilja en dag skapa MOF:er som har elektroner mobila i två eller tre dimensioner, " vilket skulle utöka deras potential för elektronik- och batteriapplikationer.