金属有机骨架及其复合材料用于能源存储与转换:研究进展与设计合成策略

寻找一种用于能源存储与转换的低成本、高性能的材料对于社会能源的绿色低碳发展有着重大意义。金属有机骨架(MOFs)作为一种新兴的有机无机杂化的多孔材料在近年来被广泛地用于设计合成具有特殊物理化学性质的能源存储与转换材料。MOFs具有很多传统材料没有的优点,其中最突出的就是其高度可调控的物理化学性质。通过选择不同的金属结点和有机配体,或在骨架结构和孔道中引入活性组分,或与石墨烯和碳纳米管等材料复合,可以针对某种能源存储与转换应用设计合成出具有某种特性的材料,从而提高其能源存储与转换的性能和效率。

近期北京大学的邹如强课题组系统总结了MOFs及其复合材料用于能源存储与转换的研究进展,并针对各个能源存储与转换应用的设计合成策略进行了详细介绍。对于光催化能源转换,常用的策略是把具有光敏或催化活性的组分(比如铂纳米颗粒,卟啉单元和配合物等)整合到MOFs的框架结构或孔道中。活性组分和MOFs之间的协同作用会使得材料的光催化能源转换性能得到提升。纯MOFs及其复合材料用于电催化能源转换的主要难点是传统MOFs的导电性不佳以及活性物质在MOFs的晶体中的迁移受阻,这需要设计合成出具有高导电率和特殊孔道结构的MOFs来解决。对于超级电容器储能,传统MOFs的低导电率也是一个很大的缺点,但是近期有课题组已经用特殊的有机配体合成出了具有高导电率的MOFs,它展现出了很好的超级电容器储能性能。把导电性能不佳的MOFs与导电组分(比如石墨烯和导电高分子)复合也是其中一个研究思路。锂硫电池有着极高的理论容量,但是中间产物多硫化锂的穿梭作用严重影响了锂硫电池的稳定性。通过使用具有能够吸附或限制多硫化锂的笼状孔道结构,开放金属位点和功能有机配体的MOFs作为正极,多硫化锂的穿梭作用可以被大大限制,从而得到良好的锂硫电池稳定性能。MOFs及其复合材料也被广泛用于锂离子电池的负极和正极,它们的形貌,溶剂,以及具有氧化还原活性的组分都对电池的容量和稳定性有着巨大影响。MOFs用于锂空气电池的研究则比较少,关键是MOFs的氧还原和氧析出催化活性的高低。

总的来说,MOFs高度可调控的物理化学性质使得它们在能源存储与转换的应用中具有很大潜力,相信经过研究者的努力,MOFs及其复合材料能够作为一种低成本,高效率,高性能的先进材料被广泛用于各种能源存储与转换的应用中。

相关论文在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201702891)上。第一作者为北京大学工学院博士生梁子彬。

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