氣體分子與固態表面間的碰撞是催化反應和分子傳感等重要科學技術中的關鍵步驟，因此科學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、生物醫療等方面的應用。近日，該課題組與新加坡南洋理工大學的林歆怡教授、上海科技大學的卓聯洋教授團隊合作，首次發現將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相。該過程采用原位實時表面增強拉曼散射光譜表征技術觀察，闡明了氣體注入過程中的分子動力學，相關研究成果發表于國際知名化學期刊Journal of the Americen Chemical Society。該工作將對許多氣-固反應的運用帶來巨大的改變，例如異相催化反應。

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氣體分子與固態表面的碰撞是諸多科學技術中的重要步驟，而提高碰撞頻率是增強其效能的關鍵。傳統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。系統在持續CO₂氣流的環境中，現場以靈敏SERS響應來探測界面上CO₂的動態相互作用。

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根據文章報道，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。該凝聚態使CO₂的表面覆蓋率增加了18倍，并且發現固體表面CO₂分子發生從直線型到彎曲型構象的改變，研究發現這種構象改變并沒有化學鍵形成。此類“無化學鍵形成的CO₂構象的改變”僅在液態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展，也為催化轉化領域如二氧化碳還原提供了新的異構反應途徑。實驗和模擬的結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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本文轉載自X-mol，轉載目的在于知識分享，本文觀點不代表V-suan云平臺立場。