金属有机框架衍生的非贵金属纳米催化剂及其电催化氧还原

氧气还原是质子交换膜燃料电池以及金属-空气电池中一个重要的反应。目前,高表面积的碳材料负载金属Pt是广泛应用的氧还原催化剂。然而,Pt的高成本以及碳材料的低耐腐蚀性限制了这类电池的大规模产业化。因此,发展高活性、低成本的非贵金属氧还原催化剂成为现在一个重要的研究方向。金属有机框架由于结构多样性和性能可调性,在气体吸附、能源储存以及催化方面得到广泛的应用。近年来,基于金属有机框架衍生的非贵金属纳米材料的合成及其氧气电催化还原引起了人们的广泛关注。但目前这类催化剂合成过程中存在的金属离子聚集、多孔结构的坍塌等问题,严重降低了催化材料的活性。

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高活性、高稳定性的氧还原催化剂必须具备比较大的表面积以及合适的孔径、充足的活性位点、良好的导电性能等。这些一般可以通过合理地调控纳米催化剂的组分以及形貌实现。近期,华盛顿州立大学林跃河教授、朱成周博士及其团队针对金属有机框架衍生的氧还原催化剂的发展现状,总结并讨论了此类纳米材料面临的问题、解决方案以及未来的发展前景。综述从非贵金属氧还原催化剂的材料设计出发,分别讨论了以金属有机框架作为前驱体的多孔碳材料、金属-碳复合材料的合成以及在氧还原催化方向的应用。对于非金属的多孔碳材料,虽然具有高比表面积和孔体积的优势,但是热处理过程中孔结构的坍塌、碳材料的低耐溶液侵蚀性以及低活性位点抑制了催化剂性能的进一步提高。为此,合理地调控前驱体的热处理过程、引入一维或者二维材料来合成杂化结构、异原子掺杂等手段成为解决以上问题的有效手段。金属及其化合物的溶解与聚集则是金属-碳复合材料所面临的主要问题。文章总结了进一步提高这一类催化剂性能的有效手段,包括复杂组分的引入、核壳结构的构建、单原子催化位点的形成及复杂化结构等。针对今后金属有机框架在氧还原催化上的发展方向,作者认为可以集中在新前驱体的开发、实验与先进表征手段相结合、活性位点形成和催化机理的研究,进而为材料的合成提供有效的指导方向。

本综述发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201700363)上,第一作者是华盛顿州立大学机械与材料工程学院付韶芳。

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