LEAPS-MPS: Tunable Hybrid Materials for Studying Charge Transport

LEAPS-MPS:用于研究电荷传输的可调谐混合材料

基本信息

  • 批准号:
    2137915
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 25万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-09-15 至 2024-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This award is funded in whole or in part under the American Rescue Plan Act of 2021 (Public Law 117-2).Non-Technical Summary Improvements in current solar energy conversion technologies are needed to meet the predicted 150% growth in global energy demand by 2050. With this LEAPS-MPS project, the PI is investigating the tunability of charge transport in thin films of hybrid metal-organic materials. Information obtained from this research will be useful in determining the structure-property relationships governing important charge transport-related processes and contribute to the rational design of materials for photovoltaic devices. Photovoltaics is considered one of the most promising technologies for meeting global energy demands. The research is conducted at a primarily undergraduate institution. It engages a diverse array of undergraduate students, including women, first generation college students (FGCS), and underrepresented minorities (URM) in high-impact research experiences both in teaching and research laboratories. To increase student participation in the STEM pipeline, the PI develops two remotely accessible laboratory activities for chemistry and biochemistry majors as part of this project. Additional activities include mentoring FGCS and URM students, and conducting online outreach workshops for local Girl Scouts (grades 4-8). To increase accessibility to thousands of people in the community, Prof. So disseminates teaching materials through conference presentations, workshops, online chemical education journals, and closed-captioned, free online videos. Technical Summary Improvements in solar energy conversion technologies require a better understanding of the structure-property relationships that govern charge transport. In this project, thin films of hybrid organic-inorganic materials, metal-organic framework (MOFs), of layered and pillared paddlewheel topologies are synthesized. The impact of the number of molecular linkers, pillars, and ionic components coordinated in MOF thin films on charge transport is quantified, and the relationship between guest molecules and charge transfer pathways in MOF films is probed using ab initio calculations and surface-sensitive spectroscopies. The obtained thermodynamic and spectroscopic datasets provide quantitative and qualitative structure-property relationships which relate MOF structure and composition to activation energy, band gap, and conductivity. Complementary education activities integrate remotely accessible laboratory activities into upper division chemistry laboratory courses and science outreach to increase technical skills and retain underrepresented minority, first generation students, and women in the STEM pipeline.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该奖项的全部或部分资金来自《2021年美国救援计划法案》(公法117-2)。目前的太阳能转换技术需要进行非技术总结改进,以满足预计到2050年全球能源需求增长150%的目标。通过这个LEAPS-MPS项目,PI正在研究金属-有机杂化材料薄膜中电荷传输的可调性。这项研究所获得的信息将有助于确定控制重要电荷传输相关过程的结构-性质关系,并有助于光伏器件材料的合理设计。光伏被认为是满足全球能源需求的最有前途的技术之一。这项研究是在一所以本科为主的机构进行的。它吸引了各种各样的本科生,包括女性、第一代大学生(FGC)和未被充分代表的少数族裔(URM),在教学和研究实验室中都有高影响力的研究经验。为了增加学生对STEM管道的参与,PI为化学和生物化学专业开发了两个远程访问的实验室活动,作为该项目的一部分。其他活动包括辅导FGCS和URM学生,以及为本地女童军(四至八年级)举办网上外展工作坊。为了增加社区中数千人的可及性,苏教授通过会议演示、研讨会、在线化学教育期刊和隐藏字幕的免费在线视频来传播教学材料。技术综述太阳能转换技术的改进需要更好地了解管理电荷传输的结构-性质关系。在这个项目中,我们合成了有机-无机杂化材料的薄膜,金属-有机骨架(MOF),具有层状和柱状的桨轮拓扑结构。用从头计算和表面敏感光谱研究了MOF薄膜中配位的分子连接体、柱子和离子组分的数量对电荷输运的影响,并探讨了客体分子与电荷转移路径之间的关系。得到的热力学和光谱数据集提供了定量和定性的结构-性质关系,这些关系将MOF的结构和组成与激活能、带隙和电导率联系起来。补充性教育活动将远程访问的实验室活动整合到高级化学实验室课程和科学推广中,以提高技术技能并留住STEM管道中代表不足的少数族裔、第一代学生和女性。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的智力优势和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

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