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中国人民大学物理系及合作团队发现新型高导热二维COF

2021-03-11


共价有机骨架(COFs)是由轻元素的分子有机结构单元构成并通过强共价键连接的晶体材料,由于其可设计的结构和高孔隙率而成为一类有前景的多孔材料。近日,中国人民大学物理系陈珊珊教授与中山大学郑治坤教授、德累斯顿工业大学戚浩远博士团队合作在水/空气界面上合成了一种新型的纳米多孔COF (SYSU-7),其导热性能超越传统COF材料两个数量级,是迄今为止纳米多孔COF、MOF等材料的最高报道值。相关研究工作以“Nanoporous and Highly Thermal Conductive Thin Film of Single-Crystal Covalent Organic Frameworks Ribbons”为题于2021年2月25日发表在《美国化学学会杂志》(Journal of the American Chemical Society)上。

微孔材料被认为是氢能汽车最有前景的吸附剂,其储氢和放氢过程分别为放热和吸热过程,但该类材料一般是热绝缘材料,如已报道COFs的热导系数接近棉花(0.04 W m-1 K-1),远低于美国能源部规定该类材料的热导系数至少达到1~3 W /m K以满足汽车快速加氢(3到5分钟)的需求。通常COFs是一类离散状态的颗粒状,结晶度低,晶畴尺寸受限(通常小于50 nm)以及晶畴之间的连接不良,严重阻碍了材料内部的热传递。为此,物理系及其合作团队在水/空气界面上实现了微米级单晶COFs带的定向生长,这些COFs带通过自助装的方式堆叠在一起,形成大面积二维薄膜。应用三维透射电子显微镜等进行结构表征,发现这些COFs带均为单晶。进一步将单晶COFs带定向堆叠成大面积薄膜,使其易于转移并悬空于目标支撑物,结合非接触光热拉曼测量技术,获得二维COFs的室温下的本征面内热导率高达5.31±0.37 W m-1 K-1,这个数值比目前报道的COFs的导热系数高两个数量级。多孔COFs本征高热导率的实现,为进一步深入理解COFs、MOFs的热传导理论提供了重要的实验依据,也为实验验证多孔材料热传导性质提供了良好的平台而具有重要的理论意义。该实验工作为提高微孔材料的导热能力提供了可行的探索方向,改变了常见COFs、MOFs材料多作为良好热绝缘体的现状,拓宽了微孔材料的应用范围,对发展能源汽车储氢材料和大规模集成电路低介电(多为微孔材料)快速散热材料具有重要的理论和实际指导意义。



图1. SYSU-7 COFs薄膜的结构和热导率分布图。

图2. SYSU-7 COFs带的高分辨透射电镜图


图3. SYSU-7 COFs自组装薄膜热导率对晶畴尺寸、温度依赖关系。

该研究成果于2月25日以“Van der Waals epitaxial growth of air-stable CrSe2 nanosheets with thickness-tunable magnetic order”为题在线发表在《美国化学学会杂志》(Journal of the American Chemical Society)上,物理学系博士生韩烁和中山大学博士生谭方林为论文的共同第一作者。物理学系陈珊珊教授、德累斯顿工业大学戚浩远博士和中山大学郑治坤教授、为论文的共同通讯作者。该工作的热输运实验和计算部分由人民大学完成,材料生长和表征部分由合作单位完成。相关工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金和中国人民大学的资助。


论文信息:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c13458

Nanoporous and Highly Thermal Conductive Thin Film of Single-Crystal Covalent Organic Frameworks Ribbons. Fanglin Tan, Shuo Han, Daoling Peng, Honglei Wang, Jing Yang, Pei Zhao, Xiaojun Ye, Xin Dong, Yuanyuan Zheng, Nan Zheng, Li Gong, Chaolun Liang, Natalie Frese, Armin Gölzhäuser, Haoyuan Qi*, Shanshan Chen*, Wei Liu, and Zhikun Zheng*

J. Am. Chem. Soc. 2021, DOI: 10.1021/jacs.0c13458


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