摘 要

有机框架以其独特的结构特征在催化、气体的储存与分离以及传感方面均有着良好的应用，其中，超薄的二维MOF纳米片更有利于电子的快速传输。但这一材料也存在缺点，即导电性较差，大大地限制了其实际应用。我们考虑到二维金属有机框架表面丰富的活性原子位点易与其它化合物配位，以及一维金属纳米线出色的光、电以及机械性能，结合两者优点制备金属纳米线MOF（MOF-metal nanowire）复合材料。然而，常规MOF合成方法常常导致晶体结构的缺陷，这使得它们随后在聚合物基质中的结合变得复杂。本文中，我们提出了一种自下而上的合成策略，拟通过多层溶剂扩散法合成结晶度高的、完整二维对苯二甲酸铜（CuBDC）MOF纳米薄片。

关键词：二维纳米材料 金属有机框架 CuBDC纳米片 一维金属纳米线 杂化材料

Preparation and Characterization of Multi-Dimensional

Organic-Inorganic Hybrid Materials

Abstract

The two-dimensional metal-organic framework has a good application in catalysis, gas storage and separation, and sensing with its unique structural features, among which the ultra-thin two-dimensional MOF nanosheets are more conducive to the rapid transmission of electrons. However, this material also has the disadvantage that its poor conductivity greatly limits its practical application. We consider that the rich active atom sites on the surface of the two-dimensional metal-organic framework are easy to coordinate with other compounds, as well as the excellent optical, electrical, and mechanical properties of one-dimensional metal nanowires, combining the advantages of both to prepare MOF-metal nanowire hybrid materials. However, conventional MOF synthesis procedures often result in collapse of the crystal structure, which complicates their subsequent binding in the polymer matrix. In this paper, we propose a bottom-up synthesis strategy, which is to synthesize two-dimensional copper-terephthalate (CuBDC) MOF nanosheets with high crystallinity through multi-layer solvent diffusion.

Key words: 2D nanomaterials; Metal-organic frame; CuBDC nanosheets; One-dimensional metal nanowires; Hybrid materials

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 二维材料 1

1.1.1 二维材料的背景与现状 1

1.1.2 二维金属有机框架复合物的发展 1

1.1.3 MOFs的生产制备 2

1.1.4 MOFs的应用 4

1.2 一维纳米材料 8

1.2.1 一维纳米材料的发展历史与现状 8

1.2.2一维金属纳米材料 8

1.3 杂化材料 9

第二章 二维MOF纳米薄片的制备与表征 10

2.1 引言 10

2.2 实验部分 10

2.2.1 实验材料与化学试剂 10

2.2.2 实验仪器 11

2.2.3 实验过程 11

2.3 纳米片的表征方法 11

2.3.1 电子显微镜 11

第三章 分析与讨论 12

3.1 梯度实验 12

3.1.1 浓度梯度 12

3.1.2 缓冲层厚度 12

3.1.3 时间梯度 12

3.2 CuBDC纳米片的表征 12

第四章 结论与展望 13

4.1 结论 13

4.2 展望 13

参考文献 14

致 谢 16

第一章 绪论

1.1二维材料

1.1.1二维纳米材料的背景与现状

二维（Two-dimensional，2D）材料在2004年随着曼切斯特大学的Geim小组成功分离出石墨烯，并因这种单原子层的石墨材料的高室温载流子迁移率、线性能谱和高强度等特性而开始备受关注。二维纳米结构材料具有延伸的横向尺寸和（亚）纳米厚度，因其高纵横比，与它们的各向同性对应物相比，常常表现出完全不同的奇特物理化学性质。因此， 二维（2D）纳米结构是高级结构中非常有趣的部分，是适用于电子（包括光电子），储能和气体分离的功能材料。^[1-3]如石墨烯、过渡金属硫化物（Transition metal dichalcogenides，TMD）纳米片的厚度通常小于5 nm，为原子水平；而其平面尺寸却可达到几百纳米甚至微米级。随着尺寸的减小，材料的比表面积迅速增大，纳米材料这种超大比表面积的特性使其在气体传感这种与表面相关的应用领域颇具优势。由于原子级厚度，电子仅能够在两个非纳米尺度方向上进行自由平面尺度运动，这使得二维材料具有独特的电子性质。

基于石墨烯及其衍生物独特的性能，在电子学、光学、传感、材料科学等领域和技术已得到的深入研究与广泛应用，激发了研究者去探索其他二维纳米材料，并建立了一类独特的超越石墨烯的新材料领域，其中较为显眼的有二维过渡金属硫族化合物（MoS₂、WS₂、WSe₂、MoSe₂等）、过渡金属氧化物、过渡金属硒化物，以及层状复合氧化物。这些二维非石墨烯材料具有一系列新的属性：从最绝缘到最强的导体，从最强的硬度到最柔软，此外这些二维纳米结构材料具有直接带隙，带隙能量范围一般在2.3-3.9 eV，比石墨烯及其前驱体更具优势，是非常有应用前景的新材料。

1.1.2二维金属有机框架材料的发展历程