二维金属有机骨架材料固态纳米孔中非线性离子传输的研究

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固态纳米孔技术是近十年新兴的分析检测技术,其利用目标物通过纳米孔时引起的离子流变化,对目标物进行高时空分辨分析。该方法具有高精密度和高精确性的特点,可应用于蛋白质分析、DNA测序、智能仿生材料和能源转化等领域。纳米孔中离子传输的理论研究有助于深入理解细胞膜上的离子通道。此外,纳米孔内的离子选择性传输可应用于仿生或者能源转化领域。由于固态纳米孔的制备技术具有可操控性差、成本高、技术条件苛刻的缺点,阻碍了固态纳米孔领域的发展。为解决上述问题,我们采用本身具有多孔性的二维金属有机骨架材料(MOFs)作为固态纳米孔,提出了基于电泳的MOFs纳米孔制备新方法,发现了MOFs纳米孔内非线性离子传输现象,通过COMSOL多物理场模拟进行机理研究。具体分为以下两部分研究内容:1、提出了电泳方式用于制备二维MOFs固态纳米孔,观测非线性离子传输现象。以锆簇为中心金属,1,3,5-三(4-羧基苯基)苯(H3BTB)为配体,苯甲酸(BA)为调节剂合成了二维Zr-BTB-BA纳米片。其具有超薄的厚度、亚纳米级别的孔尺寸和长期的水稳定性。我们对氮化硅基底采用电击穿方式进行打孔,获得的孔径尺寸大于2纳米。比较了两种电泳方式,发现了在酸性条件下电泳形成的二维MOFs/氮化硅固态纳米孔界面更稳定。初步发现了在酸性条件下该二维Zr-BTB-BA纳米孔具有非线性的离子传输现象。2、研究了二维Zr-BTB-BA纳米孔中非线性离子传输的影响因素。通过改变溶液的酸碱性,发现了在不同的酸碱条件下,纳米孔内的离子传输受到电荷作用和疏水作用的共同影响。在酸性条件下材料的疏水作用为主,导致了小电压范围内电流-电压(I-V)曲线平台的出现,且存在小幅度的离子整流;而在碱性条件下材料的电荷作用为主,电性发生改变,同时导致了离子整流的反转和增强,且其整流程度受溶液离子强度影响。合成了亲疏水性不同的二维Zr-BTB-甲酸(FA)和Zr-BTB-对氨基苯甲酸(PABA)纳米片,进一步验证了纳米孔的疏水作用是引起I-V曲线平台的关键,而电荷作用导致了整流现象的发生。同时利用COMSOL多物理场模拟纳米孔内阴阳离子的传输行为,通过改变二维Zr-BTB-BA纳米孔电荷量,发现了两种离子在不同电压极性下的堆积程度不同,引发了离子整流和整流反转。
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