近日，我校物理学院低维半导体材料设计与器件模拟团队基于机金属骨架(MOF)提出新型二维多功能半导体材料，相关成果以“Two-Dimensional Multifunctional Metal–Organic Framework with large In-Plane Negative Poisson Ratio and Photocatalytic Water Splitting Properties”为题，发表在《Materials Horizons》( IF=12.2 )期刊上。

二维有机金属骨架（MOF）是一种新兴的多孔晶体结构，近年来在纳米技术应用中备受关注。通过组合无机连接体和有机节点，MOF材料正在新型电子与光电器件、电催化剂、光催化剂、传感器和储能设备等领域得到广泛应用。2D MOF凭借出色的设计灵活性、化学可调性和可编程特性，加之多样化的合成方法，成为开发多功能二维膨胀材料的理想平台。然而，大多数已报道的无机膨胀材料依然存在负泊松比（NPR）低、柔韧性差、功能性有限等问题。

图1：(a)膨胀材料的变形机制由旋转机制驱动。灰色方块代表刚性单元，黑线代表线性连接体。(b)顺式和(c)反式-M₂C₄X₄的几何结构。蓝色和灰色球代表金属原子和碳。红色球代表功能组−O、−S 和 −NCN。黑线表示晶胞。

为解决上述问题，本工作采用密度泛函理论(DFT)第一性原理模拟设计了一系列二维 2D MOF，其分子式为M₂C₄X₄（M = Cu、Ag、Au；X = O、S、NCN），这些骨架表现出反常的膨胀行为、良好的柔韧性和适宜的光催化水分解特性。这些M₂C₄X₄结构由碳四边形基元组装而成，以顺式和反式异构体形式存在，NPR范围从-0.17到-0.90。两种异构体都表现出良好的柔韧性，即杨氏模量较低且断裂强度高。此外，它们的直接带隙、强的光捕获能力和较长的激发态寿命使它们成为水光催化氧释放反应的候选材料。这些结果为新型光电多功能材料的设计和合成提供了一种可行的策略。

图2：(a) 顺式和反式 Cu₂C₄X₄ (X =NCN , O, S) 的光吸收系数。彩色区域表示空气质量为 1.5 时的参考太阳光谱辐照度。(b) 顺式 Cu₂C₄(NCN)₄ 上能量最有利的吸收中间体 (OH*、O* 和 OOH*) 与水氧化半反应的拟议光催化途径。 灰色、蓝色、橙色、红色和白色球分别代表 C、Cu、N、O 和 H 原子。(c) 不同条件下顺式 Cu₂C₄(NCN)₄ 上 OER 的自由能图。(d) 顺式 Cu₂C₄(NCN)₄ 的时间相关电子布居。

该研究工作第一单位为合肥工业大学，第一作者为物理学研究生林伟，通讯作者为合肥工业大学物理系陈昭老师、物理系副研究员汪海迪为共同通讯。研究工作得到了国家自然科学基金、省重点研发、合肥工业大学中央高校基本科研业务费等项目的资助以及合肥工业大学和中国科学技术大学超级计算中心的支持。

文章链接： https://doi.org/10.1039/D4MH01275E 

汪海迪/图、文 高伟清/审核