Advanced Materials:MOF衍生出类绣球花状超结构材料

金属有机框架材料(MOF)具有高的比表面积、丰富的可调控孔道和可修饰的结构, 使之成为了新能源材料领域的研究热点之一。近年来, MOF及其衍生物的合成和应用得到了飞速发展, 被广泛应用于电池, 催化, 药物缓释, 气体分离等领域。然而, 对于MOF衍生物催化活性位点和形貌的精确控制依然面临极大挑战, 尤其是对利用MOF合成和应用超结构碳材料的研究鲜有报道。有鉴于此, 徐强课题组在其先前研究的基础上 (J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 5390; Nat. Rev. Mater. 2018, 3, 17075; J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 15393; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 7906; Adv. Mater. 2019, 31, 1900440.), 突破性发展了一种简单有效的自模板组装策略制备了一种类绣球花状的超结构材料。

研究者首先以金属盐和有机配体为原料, 在室温下反应生成形貌均一的ZIF-8纳米晶, 然后经过可控的湿化学方法制备了核壳MOF结构。直接碳化核壳MOF会得到结构完整的碳笼材料。有趣的是, 通过控制引入外加Fe离子到MOF中, 碳化MOF后, 会诱使碳笼表面的开放孔道进一步增大形成开放型碳笼结构。在此基础上, 进一步增加Fe离子会有利于表面Fe-Co纳米合金的快速生成。Fe-Co合金一般被认为其在催化碳管生长上具备超高的活性, 从而更有效地催化碳笼表面多壁碳纳米管的生长。而这些碳纳米管会逐渐的有效勾连临近的碳笼颗粒基元, 最终会自发组装成三维有序的类绣球花状的超结构材料。该结构不仅能具备其组成基元碳笼的基本功能外, 还表现出其作为超结构独特的性质, 例如较高的整体导电性和多类活性位点的可控协同复合。使其在氧气还原反应 (oxygen reduction reaction, ORR) 和氧气析出反应 (oxygen evolution reaction, OER)中都表现出超高的多功能催化活性, 进而应用到锌-空气可充电池中, 表现出异乎寻常的超高充放电性能和持久稳定性。实验表明该方法简单有效, 是一种普适方法, 既能实现组成基元的可控有序组装, 又能通过金属离子的加入, 产生多类高效协同催化活性位点, 将可观性和功能性完美统一。    

研究者相信, 此项研究将会为基于MOF制备超结构材料打开了一扇窗户, 并为制备高催化活性的双功能氧气还原/析出催化剂, 并应用于金属-空气可充电池提供新的思路。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201904689)上。