Advanced Functional Materials:基于原子层沉积诱导MOF薄膜的高性能柔性氢气发生器

氢能作为公认的清洁能源,在当今提倡的低碳生活下脱颖而出。氢能是一种二次能源,它可以利用其它能源制取,这正好可以弥补初级能源的局限性。水分解是目前最有希望实现可持续清洁生产氢气的有效方式,其中,水电解析氢被广泛重视。这种产氢方式的效率高,控制性强,产生的氢气纯度高,具有独特的优越性。然而,这种产氢方式往往依赖贵金属(如铂)作为催化剂,使得生产成本高昂。寻找代替贵金属的新型催化材料成为了当今研究的重点。

金属有机框架(MOF)及其热解多孔碳具有大的比表面积,高孔隙率,以及过渡金属掺杂特性,是新一代具有潜力的电催化材料。但单一的MOF颗粒缺乏多级纳米结构的设计,且孔径分布窄,微纳米颗粒独立分布,难以构建多维导电通路,而且活性位点的暴露不充分。与此同时,分立的刚性颗粒也限制了相关材料在柔性器件中的应用。目前已有一些方法可以实现MOF颗粒和衬底的结合,得到均匀的MOF薄膜。但这些结构中MOF的载量往往较低,比表面积较小,而且MOF薄膜与衬底结合不牢固,薄膜的均匀性和晶体质量较差,难以发挥MOF材料的结构优势。

复旦大学材料科学系梅永丰/黄高山课题组采用一种新颖高效的方法,在原子层沉积(ALD)技术的辅助下,在柔性碳化海绵骨架上通过金属氧化物薄膜诱导生长制备了沸石咪唑酯框架-67(ZIF-67)薄膜。实验结果表明,这种方法实现了ZIF-67的大载量,同时薄膜均匀致密,与衬底紧密结合。ZIF-67薄膜内部晶体的紧密堆垛产生了多级孔结构,使得复合材料的比表面积(含衬底)达到453 m2 g-1。热解碳化之后,ZIF-67组分转化为层状钴氮共掺杂碳纳米球,紧紧贴合在柔性海绵骨架上。测试表明,该材料在酸性电解液和碱性电解液中均有良好的催化活性。特别是在酸性溶液中仅需142 mV 的过电位就可达到10 mA cm-2的电流密度。更重要的是,该复合材料具有优良的柔性,可在大形变(例如压缩至原始厚度的25%)和反复压缩状态下电催化析氢。这种柔性的自支撑电极可以适应多种形态的反应容器,这为极端环境下以及户外等特殊场合的氢气制备提供了新方法。 研究者相信,此项研究将会为基于MOF材料的电催化应用研究打开了一扇窗户,并为MOF基复合材料与结构的合成制备以及功能化改性提供新的思路。相关论文以“Atomic Layer Deposition Inducing Integration of Co, N Codoped Carbon Sphere on 3D Foam with Hierarchically Porous Structures for Flexible Hydrogen Producing Device”为题,在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201906365)上。