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一段钙钛矿-金属有机骨架材料的联姻故事

钙钛矿及金属有机骨架 (MOF) 材料在其结构与功能方面都具有高度的可调控性,因此受到了科研人员的广泛关注,并且在能源、环境、生物、催化等领域展现出了广阔的应用前景。然而就钙钛矿本身而言,其仍然在稳定性、环境毒性等方面存在一些亟待解决的问题。日前,澳大利亚昆士兰大学侯经纬博士 (第一作者)、王连洲教授 (通讯作者) 与美国加州大学圣芭芭拉分校Anthony K. Cheetham 爵士等合作者一同从经典晶体材料理论入手,深入分析了钙钛矿-MOF晶体-晶体复合材料的进展,指出了该领域中的关键问题,并探讨了未来的有价值的研究方向。该论文日前发表于《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)杂志。


就晶体-晶体复合材料合成方法而言,作者总结了目前主流使用的三种材料复合手段,分别是“瓶中造船”法、原位MOF包覆法以及一步法。作者认为尽管三种途径均提供了可以调控界面性质的手段,但为了保证复合材料的稳定性,MOF相的孔道结构、表面物理化学性质以及钙钛矿客体材料的空间分布均需要进行精细的调控。同时作者认为尽管前两种方法提供了更丰富的调控复合材料界面及结构的手段,一步法合成在该种材料的实际应用存在更大的价值。


随后文章深入分析了该体系复合材料相关的基础理论。作者认为钙钛矿晶体在MOF框架内部的结晶过程遵循经典Avrami以及Gualtieri模型,并指出该过程受到钙钛矿前驱体扩散速率的控制。作者同时指出,由于MOF材料对钙钛矿前驱体不同成分的亲和力具有差异,因此需要准确调控该作用以保证良好的钙钛矿结晶及生长。随后作者讨论了复合材料中的量子限域以及钙钛矿相的电子结构,认为通过调控MOF孔道的结构,可以有效在纳米及亚纳米尺度上实现钙钛矿相的量子限域作用,进而对材料的带宽进行控制。并且由于两相晶体之间的紧密接触,MOF材料可以有效调控钙钛矿的缺陷态及电子结构并实现在异质结的电子/空穴传递。


文章进一步介绍了该复合材料在多个领域的应用,包括液相光催化、光伏太阳能电池、信息加密以及复合发光等。最终作者对该领域的研究前景进行了展望,认为对复合晶体界面亲和力、极性、电导率等性质的准确调控是有效实现该类型材料多种应用的关键。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Intermarriage of Halide Perovskites and Metal‐Organic Framework Crystals

Jingwei Hou, Zhiliang Wang, Peng Chen, Vicki Chen, Anthony K. Cheetham, Lianzhou Wang

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202006956


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