由金属-有机框架材料制备的水相体系氧还原/氧析出催化剂的设计思路概述

金属-有机框架材料(Metal-Organic Frameworks, MOFs)是一类由金属离子(或团簇)与有机配体通过配位键形成的晶态聚合物。其配位中心的选择几乎涵盖了所有金属,而作为桥梁的配体也包括了大量的多齿羧酸类及咪唑类等化合物。这种材料设计方面极大的自由度使得MOFs材料在许多领域都拥有重要的潜在应用。另一方面,将MOFs材料用作前驱体制备功能材料同样展现了极大的应用潜力,而其中一个重要的应用方向便是在燃料电池、金属-空气电池以及水电解装置中常见的氧还原反应与氧析出反应催化剂。这两个反应的缓慢的动力学特性使得电催化剂不可或缺,而传统的贵金属催化剂又受困于高昂的价格及受限的长期稳定性。因此,发展由MOFs材料制备的用于氧还原与氧析出的电催化剂便有了现实应用中的意义。

新加坡国立大学化学与生物分子工程学系赵丹(Dan Zhao)教授课题组针对性地总结了由金属-有机框架材料制备的电催化剂,及其在水相体系中的氧还原/氧析出反应中应用。该综述重点讨论了如何通过对催化剂前驱体的调控,复合结构的构筑以及后处理过程中反应条件的控制来进一步提升催化剂的活性与稳定性。

研究人员从三个方面介绍了从MOFs材料制备氧还原与氧析出电催化剂及提高其活性的方法。首先,讨论了引入常见催化活性位点的原因,具体的方式以及各类常见活性位点的优劣。其中,着重讨论了高活性的的金属-氮配位结构的引入以及单原子的催化位点的制备。第二个方面是复合结构的构筑。使用特定的载体,如石墨烯、碳纳米管、碳布、泡沫镍等,能进一步地分散活性位点,增加电化学活性面积。同时,对于某些电导率较低的MOFs催化剂,复合结构能够降低整体电阻,提高催化剂的表现。最后,讨论了对MOFs材料进行后处理时对反应条件的控制,例如在热解时的温度及气氛。通过控制后处理条件,可以调节所得材料中与催化活性直接相关的性质,如孔隙率、形貌、活性位点的物相等,从而达到提高催化活性的目的。

在后续的研究里,研究人员认为先进的表征技术及模拟计算将会帮助我们进一步了解活性位点的本质,从而更好地利用MOFs材料设计用于氧还原及氧析出的电催化剂。此外,用于可充电金属-空气电池的氧还原/氧析出双功能催化剂也具有极大的发展前景。相关文章在线发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201701143)上。

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