Advanced Energy Materials:基于MOF催化剂在氧循环电催化过程中的活性位点调控策略

随着生产力的发展和能源结构的变革,燃料电池、金属空气电池等新能源技术也迎来了新的一波迅猛发展。以氧循环为基础的电催化反应(主要包括氧还原电催化(ORR)和氧析出电催化(OER)),作为发展新能源技术的关键基础,也受到了极为广泛的关注。基于贵金属的经典电催化剂效率高但价格昂贵、耐候性差。因此,发展高效、高稳定性氧循环反应电催化剂,节约催化剂成本是新能源技术替代传统能源体系的必由之路。

近日,吉林师范大学李海波教授、冯明教授联合加拿大滑铁卢大学(University of Waterloo)陈忠伟院士在Advanced Energy Materials 上系统综述了金属有机框架(MOF)及其衍生物在氧还原/析出电催化领域的应用及其活性位点调控策略(论文信息附后)。

图1. 金属有机框架(MOF)及其衍生物的典型空间构型

基于MOF及其衍生物的材料具有比表面积大、孔隙率高、空间孔结构可调节等特点,因此,在催化领域显示出了极大的应用潜力和实用价值。该综述以MOF材料的结构特点为切入,从MOF本体材料及MOF衍生物两个方向分别讨论了催化剂的合成方法以及在氧还原/析出电催化中的应用和活性位点的调控策略。这些调控策略主要包括:结构优化设计、异质结构筑、缺陷调控、材料复合、异元素掺杂、配合物优化等。此外,对于催化剂活性位点的调控设计原则、调控方法以及电化学反应机制等问题,综述中都进行了详尽的总结与分析。最后,作者对基于MOF及其衍生物催化剂目前在催化氧还原/析出过程中依然存在的挑战,诸如电化学过程中相变、异质结构筑困难、前驱体价格昂贵、催化活性位点不明确等问题进行了概括总结,并提出了未来可能的解决方案,展望了基于MOF及其衍生物在作为氧还原/析出电催化剂领域的发展前景。

图2. 金属有机框架(MOF)及其衍生物催化活性中心调控策略

通讯作者简介

冯明:吉林师范大学教授,博士生导师,吉林省有突出贡献专家、吉林省拔尖创新人才、吉林省青年科技奖获得者。主要从事多铁性功能材料在清洁能源领域的基础研究与应用开发。现任功能材料物理与化学教育部重点实验室副主任,兼任中国机械工程学会工程陶瓷专业委员会理事、《Journal of Advanced Ceramics》期刊编委、《Rare Metals》和《Tungsten》期刊青年编委、吉林省分析测试技术学会理事。先后主持国家自然科学基金项目3项;吉林省中青年科技创新领军人才及团队项目、吉林省人才开发专项资金、省科技厅“主题科学家”专项基金、省发改委产业技术研究与开发专项等省部级项目7项。现已在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Nano Energy, Appl. Catal. B: Environ., Adv. Sci.等国际知名期刊上发表论文80余篇,获授权发明专利7项。

李海波:吉林师范大学教授,博士生导师,“新世纪百千万人才工程”国家级人选,教育部创新团队带头人。现任吉林师范大学副校长、功能材料物理与化学教育部重点实验室主任。被聘为吉林大学兼职教授、博士研究生指导教师,吉林省分析测试学会副理事长,吉林省物理学会常务理事。主要从事无机纳米功能材料、能源存储与转换材料、穆斯堡尔谱学应用等方面的研究工作。先后主持国家自然科学基金2项,教育部科技研究重点项目、吉林省科技发展计划项目等省部级项目16项。作为第一完成人,获吉林省自然科学二等奖2项、吉林省科技进步二等奖1项、授权发明专利3项。作为通讯或第一作者,发表SCI收录论文90余篇。

陈忠伟:加拿大滑铁卢大学化学工程系教授,滑铁卢大学电化学能源中心主任,加拿大国家首席科学家(CRC-Tier 1), 国际电化学能源科学院副主席,加拿大工程院院士,加拿大皇家科学院院士,全球高被引科学家。陈忠伟院士研究团队常年致力于燃料电池,金属空气电池,锂离子电池,锂硫电池,液流电池等储能器件的核心材料和系统的研发和产业化。近年来在Nat. Energy, Nat. Nanotech., Nat. Commun., Angew. Chem., Adv. Mater., Energy. Environ. Sci., 等国际知名期刊发表SCI论文360余篇,被引 33000余次, H-index 指数89,并担任ACS applied Materials & Interfaces副主编。课题组主页:http://chemeng.uwaterloo.ca/zchen/

论文信息:

Modulating Metal–Organic Frameworks as Advanced Oxygen Electrocatalysts

Zhaoqiang Li, Rui Gao, Ming Feng, Ya‐Ping Deng, Dengji Xiao, Yun Zheng, Zhao Zhao, Dan Luo, Youlin Liu, Zhen Zhang, Dandan Wang, Qian Li, Haibo Li, Xin Wang, Zhongwei Chen

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202003291