氣體分子與固態(tài)表面間的碰撞是催化反應(yīng)和分子傳感等重要科學(xué)技術(shù)中的關(guān)鍵步驟，因此科學(xué)家一直在尋找有效提高表面分子碰撞頻率的方法。最近，一種利用金屬有機框架（MOFs）提高固體表面氣體分子濃度的研究為該方向提供了新的思路。美國波士頓學(xué)院的宗家洸教授課題組一直致力于納米孔洞材料在催化、能源、生物醫(yī)療等方面的應(yīng)用。近日，該課題組與新加坡南洋理工大學(xué)的林歆怡教授、上?？萍即髮W(xué)的卓聯(lián)洋教授團隊合作，首次發(fā)現(xiàn)將MOF包覆于金屬表面，MOF可將二氧化碳分子大量集中并富集于金屬表面，甚至可在室溫和1個大氣壓的環(huán)境下（1 bar和298 K）將二氧化碳在金屬表面聚集形成準凝聚態(tài)相。該過程采用原位實時表面增強拉曼散射光譜表征技術(shù)觀察，闡明了氣體注入過程中的分子動力學(xué)，相關(guān)研究成果發(fā)表于國際知名化學(xué)期刊Journal of the Americen Chemical Society。該工作將對許多氣-固反應(yīng)的運用帶來巨大的改變，例如異相催化反應(yīng)。

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氣體分子與固態(tài)表面的碰撞是諸多科學(xué)技術(shù)中的重要步驟，而提高碰撞頻率是增強其效能的關(guān)鍵。傳統(tǒng)方法中較高的碰撞頻率是利用高能量的輸入來達到的，例如增加體系的壓力或升高體系的溫度。該研究提供了一種降低高能浪費的新思路，利用金屬有機框架（MOFs）富集特定氣體分子的功能來局部增高固體表面的氣體分子濃度，這種方法可以有效地提高氣體分子與固體表面的碰撞頻率，同時還能保持體系處于較低的溫度與氣壓下。在該研究中，固體納米粒子被MOF包覆，為了使用表面增強拉曼光譜（SERS）觀察二氧化碳分子的表面分子行為，系統(tǒng)由ZIF-8包覆的銀納米立方體組成。沸石咪唑類材料框架-8（ZIF-8）沉積在已接枝表面探針分子（4-甲基苯硫酚）的銀(Ag)納米立方體陣列的界面。體系中ZIF-8作為CO₂吸附層，具有等離子活性的銀納米立方體提供SERS靈敏度，表面修飾的4-甲基苯硫酚官能團作為光譜探針來追蹤固體界面附近CO₂分子的變化。系統(tǒng)在持續(xù)CO₂氣流的環(huán)境中，現(xiàn)場以靈敏SERS響應(yīng)來探測界面上CO₂的動態(tài)相互作用。

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根據(jù)文章報道，在1個大氣壓與室溫條件下（1 bar和298 K），MOF可以使二氧化碳大量聚集于固體表面，并形成準凝聚態(tài)。該凝聚態(tài)使CO₂的表面覆蓋率增加了18倍，并且發(fā)現(xiàn)固體表面CO₂分子發(fā)生從直線型到彎曲型構(gòu)象的改變，研究發(fā)現(xiàn)這種構(gòu)象改變并沒有化學(xué)鍵形成。此類“無化學(xué)鍵形成的CO₂構(gòu)象的改變”僅在液態(tài)CO₂及氣壓105?bar以上可以觀察到。該工作不僅能促進氣體分子和固體表面相互作用研究的發(fā)展，也為催化轉(zhuǎn)化領(lǐng)域如二氧化碳還原提供了新的異構(gòu)反應(yīng)途徑。實驗和模擬的結(jié)果也可以幫助合理解釋許多先前報道的研究成果，如固體與MOF體系中反應(yīng)活性增加等。

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文獻鏈接：Driving CO₂ to a Quasi-Condensed Phase at the Interface between a Nanoparticle Surface and a Metal–Organic Framework at 1 bar and 298 K

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