英文原题：Mapping the Nexus of Electrical Conductivity and Gas Sensing for Tailored Design of Transition Metal (Cu, Co, Ni)-Based Bimetallic 2D Conjugated MOF
通讯作者：王天双（吉林大学），孙鹏（吉林大学）
作者：Yueru Jiang (姜月茹), Xuyuan Hou (侯旭远), Yun Zhou (周昀), Boyi Wang (王博毅), Liupeng Zhao (赵留鹏), Jinbei Wei (魏金贝), Geyu Lu (卢革宇)
背景介绍
二维双金属共轭金属有机骨架（2D c-MOF）是一种新型的层堆叠 MOF，因其具有可调电学性能、扩展的活性位点以及可定制的带隙等特性，在多种高性能（光）电子器件方面显示出巨大潜力。然而，目前在化学传感器领域，针对基于3d 过渡金属的双金属2D c-MOF敏感材料体系，缺乏系统性机制研究，金属节点、电子特性与传感性能之间的关联规律尚不明晰。
图1. 通过构建双金属2D M/Cu-HHTP c-MOF (M = Co或Ni)的导电性—气体传感性能相图，观察到了金属节点组分对导电性和传感性能的影响趋势。在导电性方面，富Co区域的电导率普遍偏低（材料的电导率<1 × 10−5 S·cm−1），而富Cu区域内的材料具有优异的导电性，证明在基于3d 过渡金属的双金属2D M/Cu-HHTP c-MOF中，较高含量的Cu是高导电性的保障。在传感性能方面，三角相图中顶角区域附近材料的传感性能由主要组分（原子占比最高的组分）主导，富Ni区域的灵敏度普遍偏低（氨气灵敏度<117%），富Cu区域的响应/恢复特性较差（传感器的响应时间>1240 s，恢复时间>1000 s），而富Cu且含有一定量Co区域内的材料具有更优异的传感特性。因此，根据导电性—传感性能三角相图可知，较高含量的Cu是高导电性的前提，一定量的Co对传感性能有显著提升作用。
文章亮点
近日，吉林大学卢革宇教授团队设计合成了一系列2D c-MOF，构建了导电性—气体传感性能相图，识别出了高导电、高灵敏、高选择、快速响应/恢复的理想敏感材料组成，并有效解决了基线漂移问题，证明了3d过渡金属节点在电学特性优化、调控化学传感性能趋势以及决定传感机制方面的重要作用。
图2. Cu-HHTP、Co-HHTP以及Co/Cu-HHTP的密度泛函理论（DFT）计算得到的能带结构图，能带穿过费米能级揭示了2D c-MOF敏感材料存在金属特性。态密度（PDOS）图表明：Cu-HHTP在费米能级处的态密度最高，其次是Co/Cu-HHTP和Co-HHTP，这与材料的电导率密切相关。与此同时，紫外可见吸收光谱、紫外光电子能谱表明：双金属2D c-MOF中调控过渡3d金属节点组分可以改变材料的带隙及电荷转移，从而提升材料的导电性能（σ ≈ 1.50 × 10-3 S·cm-1）。
图3. 气体传感性能测试结果表明，2D Co/Cu-HHTP c-MOF基氨气传感器在室温下工作，不仅具有高灵敏度（S= 73.8%@100 ppm）和高选择性（SNH3/Sinterfering gas = 82），还表现出较低的基线电阻漂移特性（3.23%），以及出色的重复性和稳定性。
图 4. 采用in-situ DRIFT证明了Co金属节点的引入可调控2D c-MOF 的NH3吸附特性；Co的引入不仅增加了孔径尺寸，而且Co2+与配体之间相对较低的结合能，促进了NH3的快速脱附，从而显著缩短了传感器的恢复时间。因此，Co/Cu-HHTP中双金属节点的协同作用显著提升了传感器动态特性。
总结/展望
综上所述，作者基于双金属2D c-MOFs敏感材料建立了电学特性、电子能带结构、拓扑结构和NH3吸附特性演变之间的关联，证实了3d过渡金属节点组分这一描述符对于预测2D c-MOFs敏感材料导电性与气敏特性的可靠性。与已报道的单金属2D c-HHTP-MOF基传感器相比，构建的高性能2D Co/Cu-HHTP c-MOFs 基NH3化学电阻传感器，具有较高的灵敏度、优异的选择性、较低的基线电阻漂移、优异的动态特性以及重复性。该工作为高导电性双金属2D c-MOFs功能材料的设计与合成提供了新思路，对高性能2D c-MOFs基电子器件的开发具有指导意义。
相关论文发表在期刊ACS Materials Letters上，吉林大学博士研究生姜月茹为文章第一作者，王天双副教授、孙鹏教授为通讯作者。
通讯作者简介：
王天双 副教授
吉林大学电子科学与工程学院，地址：吉林省长春市前进大街 2699 号，邮编：130012；
孙鹏 教授
吉林大学电子科学与工程学院，地址：吉林省长春市前进大街 2699 号，邮编：130012；
https://sensors.jlu.edu.cn/info/1073/1958.htm
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ACS Materials Lett. 2025, 7, XXX, 76–84
Publication Date: November 26, 2024
https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.4c01905
Copyright © 2024 American Chemical Society
Editor-in-Chief
Sara E. Skrabalak
Indiana University Bloomington
Deputy Editor
Bin Liu
National University of Singapore
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