Design Rules for Efficient Charge Transfer in Metal–Organic Framework Films: The Pore Size Effect

电荷(物理) 金属 金属有机骨架 材料科学 传输(计算) 化学工程 纳米技术 计算机科学 化学 工程类 冶金 物理 有机化学 量子力学 吸附 并行计算
作者
Meng Cai,Quentin Loague,Amanda J. Morris
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:11 (3): 702-709 被引量:77
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.9b03285
摘要

In redox-active metal-organic frameworks (MOFs), charge transfer can occur by a redox hopping mechanism, i.e., electron hopping coupled with ion diffusion to balance electroneutrality. To elucidate the correlation between MOF structure and electron and ion diffusion, we prepared three ferrocene-doped MOF (Fc-MOF) films with different pore sizes (15-47 Å) immobilized on conductive substrates. By applying a theoretical model to the chronoamperometric responses of three Fc-MOFs, the electron and ion diffusion coefficients (De ≈ 10-12-10-7 cm2 s-1; Di ≈ 10-16-10-12 cm2 s-1) and electron- and ion-transfer rate constants (ke-hop ≈ 103-107 s-1; ki-hop ≈ 10-3-101 s-1) were quantified independently. Increasing MOF pore size led to an increase in ki-hop and a decrease in ke-hop. The overall charge-transfer rate constant, khop, increased when MOF pore size increased, confirming the ability to enhance charge-transfer rates through control of MOF pore size.
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