钴掺杂对ZIF-8薄膜结构、形貌及光学特性的调控机制及其在光催化与光电器件中的应用

本研究针对金属有机框架（MOFs）材料在光催化与光电子器件应用中的性能优化需求，系统探究了钴（Co）掺杂对ZIF-8薄膜结构稳定性、形貌特征及光学性能的调控作用。通过X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）和紫外-可见光谱（UV-Vis）分析，发现2%钴掺杂可使晶体尺寸增至22.1 nm，10%掺杂时消光系数达到峰值，带隙能量从3.25 eV拓宽至3.37 eV，显著提升材料对高能光的响应能力。该研究为设计高性能MOFs基功能材料提供了重要理论依据。

　　

在追求可持续能源和高效光电器件的时代，金属有机框架（MOFs）材料因其可调控的孔隙结构和表面特性成为研究热点。其中，沸石咪唑酯骨架材料（ZIFs）结合了传统沸石的稳定性与MOFs的结构可设计性，而ZIF-8更因其出色的化学稳定性成为代表性材料。然而，纯ZIF-8的带隙较宽（约3.25 eV），对可见光的利用率有限，这严重制约了其在光催化降解污染物、太阳能转换等领域的应用效率。如何通过元素掺杂在不破坏晶体结构的前提下调控其光学性能，成为突破该领域技术瓶颈的关键科学问题。

Princess Nourah bint Abdulrahman University（努拉公主大学）的研究团队在《Optical Materials》发表的重要工作中，创新性地采用钴元素对ZIF-8薄膜进行梯度掺杂（0-10%），系统研究了掺杂浓度对材料多尺度特性的影响规律。研究人员通过溶剂热法合成系列Co-ZIF-8薄膜，结合X射线衍射（XRD）分析晶体结构演变，场发射扫描电镜（FESEM）观测形貌变化，紫外-可见光谱（UV-Vis）测定光学参数，并创新性地引入Urbach能量计算评估结构无序度。

结构特性分析显示：钴掺杂未改变ZIF-8的立方晶系结构，但2%掺杂时晶体尺寸达到最大值22.1 nm，更高浓度时因晶格畸变导致尺寸回缩。XRD峰强变化证实钴成功掺入骨架，且掺杂浓度与微应变（ε）和位错密度（δ）呈正相关。

光学性能突破体现在三方面：（1）10%掺杂样品在500-620 nm出现显著吸收增强，消光系数提升37%；（2）带隙能量从3.25 eV增至3.37 eV，更适合高能光子捕获；（3）Urbach能量降低表明结构有序度提高，折射率和介电常数同步增加，证实电磁能量吸收效率提升。

技术方法创新点在于：（1）采用三乙胺（TEA）调控的溶剂热法确保薄膜均匀性；（2）建立钴浓度-光学参数的定量关系模型；（3）首次将Urbach能量分析应用于掺杂MOFs的结构无序度评价。

这项研究的重要意义在于：首次阐明钴掺杂浓度与ZIF-8薄膜性能的"火山型"关系——2%为晶体尺寸最优值，10%为光学性能拐点。通过精确控制掺杂水平，实现了带隙能量的定向调控（3.25-3.37 eV可调），使材料兼具宽光谱响应和高结晶质量的特性。该成果不仅为MOFs在光催化降解有机污染物、紫外光探测器等领域的应用提供新材料体系，其揭示的"掺杂浓度-结构-性能"关系规律更可推广至其他过渡金属掺杂MOFs的设计。特别值得注意的是，材料在保持多孔特性的同时实现带隙拓宽，这为解决传统光催化剂比表面积与光吸收能力难以兼得的矛盾提供了新思路。

研究团队在结论部分特别强调，钴掺杂ZIF-8薄膜展现的"双优化"特性（结构稳定性+光学可调性）使其成为极具潜力的光电器件候选材料。未来通过调控其他过渡金属掺杂或构建多元掺杂体系，有望进一步拓展MOFs在能源与环境领域的应用边界。这项由努拉公主大学支持的基础研究（项目编号PNURSP2025R223），为沙特阿拉伯在功能材料领域的科技创新提供了典型范例。