Development of Room Temperature-Operative Chemiresistive Sensors by MOF-on-MOF Multilay er Thin Films

利用 MOF-on-MOF 多层薄膜开发室温操作化学电阻传感器

基本信息

批准号：
18F18334
负责人：
北川進
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-11-09 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

Yao氏と行なった本共同研究では、Yao氏が独自に開拓したSpray型LbL法を活用し、EC-MOF薄膜の上に更にMOFを積層させる多層積層型MOFケミレジスタ型ガスセンサを開発を行った。１年目の研究では、ケミレジスタ型ガスセンサの設計・組み立て、及び新規なEC-MOFの開拓を行った。従来、高伝導性が報告されてきた二次元シート構造のEC-MOFの系では、その合成の難しさのために、単一の配位子を用いた系しか報告がなくそのバリエーションに乏しかった。Yao氏は、混合配位子型とすることで、この系の物性のより幅広いチューニングが可能とすることに世界で初めて成功した。またケムレジスタ型ガスセンサシステムを作成し、新規EC-MOFが実際にケミレジスタ型ガスセンサとして高い特性を有することを確認した(Angew.Chem.Int. Ed. 59, 172-176, 2020)２年目の研究においては、EC-MOF薄膜の上に更にMOFを積層させる多層積層型MOFケミレジスタ型ガスセンサを開発を行った。EC-MOFをケムレジスタにおける活物質として使用することを考えたとき、その空隙率、柔軟性、導電性をバランスよく確保した上で、ガス・蒸気を選択的に吸着する絶縁性MOF(iMOF)との適切な組み合わせを探すことが重要となる。こうした材料設計をもとにEC-MOF/iMOF積層薄膜やiMOF/EC-MOF/iMOF積層薄膜の開発を行った。興味深いことに、実際にEC-MOF単体よりこうした積層状態にすることでガス・蒸気に対するセンサー応答性（電気抵抗応答）や選択性が大幅に向上する組み合わせがあることが判明した（J. Mater. Chem. A, 2020,8, 9085-9090/他二報投稿準備中）。

在这项与姚先生的联合研究中，我们利用姚先生最初开发的喷射式LbL方法，开发了一种多层堆叠MOF化学电阻气体传感器，该传感器在EC-MOF薄膜顶部进一步堆叠MOF。在第一年的研究中，我们设计并组装了化学电阻式气体传感器，并开发了新型EC-MOF。传统上，已经报道了具有二维片状结构的EC-MOF系统的高电导率，但由于合成困难，仅报道了使用单一配体的系统，并且变化很小。姚博士是世界上第一个成功地通过使用混合配体类型更广泛地调整该系统的物理特性的人。我们还创建了化学电阻型气体传感器系统，并确认新型 EC-MOF 实际上具有作为化学电阻型气体传感器的高特性（Angew.Chem.Int. Ed. 59, 172-176, 2020）研究的第二年我们开发了多层堆叠 MOF 化学电阻气体传感器，其中 MOF 进一步堆叠在 EC-MOF 薄膜顶部。当考虑使用 EC-MOF 作为化学电阻器中的活性材料时，我们考虑使用绝缘 MOF (iMOF)，该绝缘 MOF 可以选择性地吸附气体和蒸汽，同时确保孔隙率、柔韧性和导电性的良好平衡。适当的组合基于这种材料设计，我们开发了EC-MOF/iMOF层压薄膜和iMOF/EC-MOF/iMOF层压薄膜。有趣的是，已经发现实际上存在一些组合，其中与单独的 EC-MOF 相比，通过以这种堆叠状态堆叠 EC-MOF 可以显着提高传感器响应（电阻响应）和对气体和蒸汽的选择性（J. Mater Chem. A，2020，8，9085-9090/另外两份报告正在准备提交）。