近日，日本東京理科大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)宣布成功開(kāi)發(fā)出一種新型合成技術(shù)，可將含有多種金屬離子的二維高分子“配位納米片（Coordination Nanosheets, NS）”結(jié)構(gòu)調(diào)控并實(shí)現(xiàn)“墨水化”，使其可直接應(yīng)用于印刷制程。該成果不僅為納米片材料的大規(guī)模制備開(kāi)辟了新路徑，也為其在柔性電子器件、傳感器、能源催化等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)了新可能。相關(guān)論文已發(fā)表于國(guó)際期刊《Small》。

多金屬配位納米片為何重要？

配位納米片是一種由金屬離子與具有π共軛結(jié)構(gòu)的有機(jī)配體（如苯六硫酚 BHT）通過(guò)配位鍵連接而形成的二維材料。通過(guò)選擇不同金屬離子和配體分子，可以賦予材料獨(dú)特的物理和化學(xué)性能。此前，研究團(tuán)隊(duì)已通過(guò)液-液或氣-液界面反應(yīng)，成功合成出多孔結(jié)構(gòu)的鎳二硫醚納米片 NiDT（化學(xué)式 Ni₃(BHT)₂）。

研究顯示，引入多種金屬離子后，配位納米片可表現(xiàn)出更優(yōu)異的導(dǎo)電性和結(jié)晶性。例如團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的 NiCu₂(BHT) 納米片，就展示出比 NiDT 和 Cu₃(BHT) 更優(yōu)的電性能，其結(jié)構(gòu)中銅和BHT以6:1的比例有序填充于NiDT的空孔中。這一規(guī)律性結(jié)構(gòu)是其優(yōu)異性能的關(guān)鍵。

兩種新技術(shù)實(shí)現(xiàn)“墨水化”目標(biāo)

為了推動(dòng)材料的實(shí)際應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)嘗試將配位納米片制備成可分散于溶液中的“膠體墨水”。此次，他們首次確立了兩種可合成多金屬配位納米片墨水的全新路徑：

方法一：溶液法合成

通過(guò)調(diào)控金屬離子與BHT在單一相中的摩爾比例，團(tuán)隊(duì)成功制備了NiDT和Ni(BHT)的膠體分散液，隨后同樣方法也被應(yīng)用于合成Cu(BHT)和Zn(BHT)膠體。進(jìn)一步地，在含有未反應(yīng)BHT的NiDT膠體中加入銅離子，即可合成具有有序結(jié)構(gòu)的NiCu₂(BHT)納米片；同理，也實(shí)現(xiàn)了NiZn₂(BHT)的新材料合成。該方法為進(jìn)一步制備其他金屬組合提供了可行路徑。

方法二：轉(zhuǎn)金屬反應(yīng)

第二種方法基于“轉(zhuǎn)金屬化”反應(yīng)，即通過(guò)控制不同金屬離子間的逐步替換反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控。實(shí)驗(yàn)顯示，在Ni(BHT)與Cu²⁺反應(yīng)的過(guò)程中，會(huì)形成一個(gè)中間產(chǎn)物NiCu₂(BHT)，最終可生成Cu(BHT)。這一發(fā)現(xiàn)提供了新的調(diào)控窗口，有望開(kāi)發(fā)面內(nèi)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步拓展材料功能。

導(dǎo)電性能表現(xiàn)優(yōu)異，應(yīng)用前景廣闊

實(shí)測(cè)表明，NiCu₂(BHT)納米片的導(dǎo)電性優(yōu)于Ni(BHT)、NiDT和NiZn₂(BHT)。在“轉(zhuǎn)金屬化”路徑下獲得的NiCu₂(BHT)導(dǎo)電性能同樣高于直接合成的Ni(BHT)與Cu(BHT)。這一結(jié)果驗(yàn)證了通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提升材料性能的可行性。

研究團(tuán)隊(duì)表示，這兩種新方法不僅拓展了異金屬配位納米片的合成途徑，也為其在柔性電子、傳感器、水分解催化等領(lǐng)域的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。墨水化技術(shù)使得該類材料可被直接印刷于各種基底，未來(lái)有望助力實(shí)現(xiàn)低成本、資源節(jié)約型的高性能材料系統(tǒng)，推動(dòng)可持續(xù)智能社會(huì)的建設(shè)。

粉體圈Coco編譯