奥斯陆大学SMSC综述：用于热电材料的本征导电金属有机骨架设计

随着人类对化石燃料的消耗持续增加，全球平均气温屡创新高。这种人为的气候变化已在全球范围内造成严重影响，包括极端天气的增加。在所有项目中，发电仍是二氧化碳排放的最大贡献者，而仅在工业用电中，就有多达 50% 的能源投入以热量的形式损失。如果能将废热转化为电能，可极大地提高能源效率。热电（ TE ）设备可以基于温度梯度来产生清洁电能，从而减少对化石燃料的依赖。目前，为了追求更高的热电转换效率， TE 器件通常包括稀有或对环境有害的元素，如 Bi 、 Te 和 Pb 等。近年来，研究者试图开发导电有机聚合物，但其本征的低载流子迁移率只能提供较低的热电功率因数。相比之下，金属有机骨架（ MOF ）是一种高度多孔的有机 - 无机混合晶体材料，具有协同有机、无机两类材料的潜在优势。

近日， 挪威奥斯陆大学 Petra Ágota Szilágyi 团队在 Small Science 上发表了综述文章，探讨了迄今为止本征导电 MOF 材料的设计策略及其在 TE 方面的应用。

在本综述中，团队首先讨论了 MOF 的重要性质，以及其如何影响作为热电材料时的热电参数（ σ 、 S 和 κ ）。例如，材料的总热导率 (κ) 收到 MOF 密度、孔隙率、孔径、孔形状等因素的影响。此外，作者还着重讨论了 MOF 材料中的载流子传输机制以及塞贝克系数（热电势， S ）的影响机制。目前，绝大多数具有本征导电性的 MOF 都是基于同一配体家族的二维平面材料。

之后，作者讨论了面向高效热电材料的 MOF 设计策略。作者指出，由于 MOF 的晶体结构广泛而复杂，通过 DFT 等方法对其电子特性和能带结构进行计算往往成本高昂且耗时。近年来，有研究者进行了广泛的计算研究，以分析不同计算方法在预测 MOF 带隙和 TE 特性时的优劣。

作者基于现有的研究报道，展开讨论了面向 TE 材料的 MOF 设计策略。首先，合成具有不同金属节点的导电 MOF 可以调整化学和电子特性，而不必影响框架结构。因此可以从金属节点拓扑、金属尺寸、混合价态金属等方面进行金属节点的替换。其次， MOF 中有机连接体具有高度可调控的优势，可通过引入杂原子、控制配体尺寸、层间距离等方法对 MOF 性质进行定向设计。