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用于电催化的“蛋黄-蛋壳”结构复合材料

Science China Press

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Credit: Science China Press

在催化领域,金属有机框架材料(MOFs)大名鼎鼎,它是由有机配体与金属离子配位自组装得到的一类多孔材料,具有可调的孔隙结构及丰富的配位不饱和活性位点,是大有前景的催化材料。然而大部分MOFs难以直接用于电催化,原因在于其导电性低、传质慢。

最近,中国科学院福建物质结构研究所曹荣研究团队设计合成了一种空心介孔碳球包覆金属有机框架ZIF-67的“蛋黄-蛋壳”结构复合材料,并将其作为电催化剂应用于电催化氧还原(ORR)、析氧反应(OER)和锌空电池。

该设计中,研究者利用空心介孔碳球中的N掺杂位点牢牢“抓住”金属钴(Co)离子,为ZIF-67的生长提供位点;通过调节Co离子、2-甲基咪唑与空心介孔碳球的投料比诱导ZIF-67在空心介孔碳球内部空腔中限域生长,从而得到以ZIF-67为“蛋黄”,空心介孔碳球为“蛋壳”的复合材料。

这一设计有效提高了ZIF-67材料的导电性能,同时利用空腔限域效应,将ZIF-67的尺寸由1微米缩小到100纳米,使其表面裸露更多可作为催化活性中心的Co-Nx 配位不饱和位点,从而获得优异的电催化活性及电池性能。

在ORR反应中,半波电位高达0.823 V (vs. RHE),与市售的Pt/C相当,同时具有比市售Pt/C更高的动力学电流密度。在OER反应中,电流密度为10 mA cm-2时的过电位仅为407 mV。利用该复合材料为阴极构建的锌空电池具有高能量密度(120.2 mW cm-2)和优异的充放电稳定性(5 mA cm-2循环80 h)。

ZIF-67@HMCS复合材料有望成为燃料电池和电解池中的电催化剂,为可再生能源的发展做出贡献。同时,该工作也为MOFs材料在电化学领域的应用提供了新的设计思路。

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文章信息:

Encapsulating metal organic framework into hollow mesoporous carbon sphere as efficient oxygen bifunctional electrocatalyst
https://doi.org/10.1093/nsr/nwz166

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