[发明专利]一种原位生长二维MOFs薄膜的方法

说明书

本发明公开了一种原位生长二维MOFs薄膜的方法。本发明是将两片超亲水化处理的基板进行堆叠以形成微孔界面。然后在毛细管力分别驱动下，使金属离子溶液和配体溶液交替循环进入微孔中以实现MOF薄膜的限域生长。在升腾力驱动下以除去微孔中的水分，最终可实现在基板上直接生长MOFs薄膜。通过控制基板的形状、尺寸和循环次数可以实现对MOF薄膜形状、尺寸和厚度进行调控。本发明具有操作容易、设备简单、生产成本低、制备的MOF薄膜形状、尺寸和厚度可控等优势。

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及一种二维多孔材料，特别是涉及一种原位生长二维MOFs薄膜的方法。

背景技术

自从石墨烯被发现以来，各种二维孔状材料得到了爆炸性发展。其中，二维金属有机框架材料(MOFs)由于具有高比表面积、高催化活性、可调的孔结构等优势，在催化、气体储存及分离、传感器、光电器件等领域有着广泛的应用前景。因此，二维MOFs薄膜已经成为国内外研究的热点。

在制备二维MOFs薄膜方面，主要包括旋涂法、超声分散法、气液界面生长法和液液界面生长法等。其中，MOFs较差的溶解性导致旋涂法难以用于制备高质量MOFs薄膜。利用机械力分散或者超声分散难以制备出大面积的MOFs薄膜，因此，这些方法极大的限制了大面积MOFs电子器件的制备。尽管目前可以通过气液界面法(J.Am.Chem.Soc.,139(4),1360-1363.)或液液界面法(Advanced Materials,30(10),1704291.)实现二维MOFs薄膜的制备，但是，需要通过复杂的工艺才能将薄膜转移到电介质上用于制备电子器件。在薄膜转移过程中，很容易导致其破碎。这不仅增加了薄膜的制备成本，更会极大的降低器件的性能。

申请号为202010013773.9的专利报道了利用电化学在铜箔上直接生长MOFs薄膜的方法，并利用高分子薄膜保护法将MOFs薄膜转移到目标基底上，此方法可以有效的保证MOFs薄膜的完整性，但是该方法难以对MOFs薄膜的形状进行有效调控。而目前电子器件多是在圆晶硅片上制备的。此方法难以制备出圆晶级别的MOFs薄膜。目前，开发直接在电介质上生长MOFs薄膜的方法引起了广大化学家和材料学家的极大兴趣。

发明内容

基于目前二维金属有机框架薄膜制备方法存在的各种短板，本发明提供了一种基于毛细管力—升腾力直接在基板上原位生长二维MOFs薄膜的方法。

本发明提供的制备MOFs薄膜的方法，包括：

1)将金属盐分散到水中，得到溶液A；

将配体于水中加入碱溶液，得到均匀的溶液B；

2)将两片超亲水化处理后的基板堆叠；

3)将步骤2)所得堆叠后的两片基板浸没在所述溶液A或溶液B中0.5h-5h(具体可为1h、)后，将浸没后的基板置于热台上除去水；

4)再将基板浸没在所述溶液B或溶液A中0.5h-5h(具体可为1h、2h)后，将浸没后的基板置于热台上除去水；

5)重复所述步骤3)-步骤4)若干次，得到所述MOFs薄膜。

上述方法的步骤1)中，所述金属盐选自CuSO₄、CoSO₄、NiSO₄、CuCl₂、CoCl₂和NiCl₂中至少一种；

所述金属盐在溶液A中的浓度为0.001mol/L-0.1mol/L；具体为0.005mol/L、0.01mol/L或0.05mol/L；

所述配体选自四羧基苯基卟啉(也即TCPP)、六羟基三苯和四羟基卟啉中至少一种；

所述配体在溶液B中的浓度为0.001mol/L-0.1mol/L；具体为0.0025mol/L、0.005mol/L或0.025mol/L；