Advanced Materials:金属有机框架催化材料的理性设计及电解水应用

氢能源被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源,目前世界各个国家都在力图发展氢能来解决能源的安全问题,掌握国际能源领域的制高点。国际能源储、国际氢能源委员会发布的氢能源未来发展的调研报告预示到2050年的时候,氢能需求将是目前的10倍,预计到2030年,全球氢气的燃料电池,氢能源电池的常用车将达到1000万至1500万辆。氢气的大规模高纯度制取是氢能源发展的关键瓶颈问题,电解水制氢是未来工业生产洁净氢的一种主要方法。因此相关研究领域,目前主要集中在发展高效能、高稳定性的非贵金属催化剂用于替代价格昂贵的贵金属以及贵金属氧化物催化剂。

四川大学程冲研究员团队长期致力于利用金属有机框架及配位聚合物构筑具有高催化活性的杂化材料,在高性能电解水催化剂领域取得了一系列创新性成果,积累了丰富的研究经验。近期联合柏林工业大学李爽博士及四川大学汪映寒教授团队在Advanced Materials发表研究进展综述总结和介绍了近年来金属有机框架(MOF)材料的催化结构设计及其在电解水应用领域的研究进展,特别是从原子和分子水平上讨论了MOF材料及MOF衍生杂化材料的化学组成和催化结构设计,以及对析氢及析氧催化活性、活性位点识别和催化机制进行了总结。本文的第一作者为四川大学高分子科学与工程学院硕士研究生张奔及郑懿娟。

图1. 总结和对比MOF及MOF衍生催化材料的电解水催化活性。

要点一:该综述从合成方法,组分结构优化设计方面介绍了MOF-based和MOF-derived电催化剂的设计。然后,重点总结了用于HER,OER,全电解水的MOF-base/derived电催化剂的研究进展,并重点关注了这些材料在催化活性位点设计及识别,电催化机理方面的突破。

要点二:作者为用于电解水的MOF纳米材料的合成原理和电催化设计提供新的见解。比较了报道的MOF及其衍生物用作电解水催化剂的催化活性,并对这些催化剂进行了分析评估。此外,对MOF及其衍生的水分解电催化剂的设计和商业化目前的主要挑战和未来前景进行了全面的评述。

要点三:总之,开发高效价廉的电解水催化剂对于克服日益严重的能源危机和环境问题至关重要。该综述有望促进MOF及其衍生的水分解电催化剂的研究,推动廉价高效电催化剂的发展,从而进一步促进电解水制氢广泛的应用前景。

作者简介:

程冲,四川大学高分子科学与工程学院特聘研究员,博士生导师,国家四青人才,四川省特聘专家,高分子材料工程国家重点实验室固定人员,洪堡学者。以第一和通讯作者在Chemical Reviews、Science Advances、Advanced Materials (8篇)、Nano Today、Nano Letters (2篇)、Advanced Functional Materials (4篇)、Small、Nano-Micro Letters等国内外高水平期刊上发表论文70余篇,共发表论文110余篇,总引用5000余次,H-index为40,其中9篇入选ESI高被引,12篇封面论文。在申及授权中国发明专利10项,欧洲专利1项及PCT专利2项,并参编英文著作1章,担任InfoMatAdvanced Fiber Materials等多个国际期刊的杂志(青年)编委。荣获2020年四川省医学青年科技奖及四川大学优秀科技人才奖。

课题组网页:

http://cpse.scu.edu.cn/info/1061/2891.htm

https://www.x-mol.com/groups/aldm-scu

论文信息:

Designing MOF Nanoarchitectures for Electrochemical Water Splitting

Ben Zhang, Yijuan Zheng, Tian Ma, Chengdong Yang, Yifei Peng, Zhihao Zhou, Mi Zhou, Shuang Li*, Yinghan Wang*, Chong Cheng*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202006042