金属有机骨架及其衍生纳米材料在电化学氧催化反应中的应用

北京大学工学院邹如强教授接受Sci. China Chem.邀请，撰写了综述文章“Metal-Organic Framework Based Nanomaterials for Electrocatalytic Oxygen Redox Reaction”。该综述主要从“ORR和OER反应的机理”、“MOFs ORR/OER催化剂”、“MOFs衍生的ORR/OER催化剂”等几个方面介绍了近几年代表性的研究成果，并且针对MOFs基纳米材料在ORR/OER中的发展方向进行了展望。

由于环境和能源问题日益严峻，许多绿色可持续的新能源技术, 如燃料电池和金属空气电池等受到了研究人员的广泛关注。然而这些技术的发展面临着许多严峻的挑战。其中，氧析出反应（OER）和氧还原反应（ORR）作为这一类技术的核心反应，其多电子转移过程使得反应动力学缓慢，从而需要较高的过电位促使反应的发生。因此，设计并引入催化剂以提高反应速率、降低过电位是解决这一问题的关键。

目前，Pt，RuO₂,和IrO₂等贵金属催化剂因较高的催化活性被用于催化ORR和OER，但价格昂贵、稳定性差等原因阻碍了其大规模产业化和商业化应用。因此开发价格低廉、活性高、稳定性好的非贵金属基催化剂成为该领域研究的重点及热点。

金属有机骨架（Metal-organic frameworks，MOFs）是一类由有机配体和金属结点周期性配位得到的一种有机-无机杂化材料，其具有高的比表面积、可调的结构以及丰富的孔道。其规整的孔道结构及多孔特性有利于物质的扩散与传递，同时高比表面积有利于具有氧化还原活性的金属离子和配体充分暴露，因此MOFs可以直接用作ORR与OER催化剂。此外，MOFs组分的可调控性和多样性为催化剂的设计提供了多种可能。

但是，大多数MOFs的导电性和稳定性不佳。通过高温热处理，MOFs可以进一步转化为具有特定物理化学特性的衍生材料，包括MOF衍生碳材料、MOF衍生金属/金属化合物材料。和MOFs相比，MOFs衍生材料一般具有更优的导电性和稳定性。而且大多数MOFs衍生材料保留了MOFs的多孔性和高比表面积，在物质传递等方面更具优势。另外，在惰性气氛中热处理时，MOFs中的金属位点会发生氧化还原反应而转变为金属/金属化合物颗粒，而含有异原子的有机配体会发生分解，转变为异原子掺杂的碳基底。金属与碳基底之间的相互作用会使结构更加稳定，且掺杂会导致原子之间的电荷转移，从而提升其催化活性。

图1 MOFs和MOFs衍生材料作为催化剂的OER，ORR

基于以上特点，MOFs和MOFs衍生材料作为催化剂材料被广泛应用于电化学氧催化反应中。近期，北京大学工学院邹如强教授接受Sci. China Chem.邀请，撰写了综述文章“Metal-Organic Framework Based Nanomaterials for Electrocatalytic Oxygen Redox Reaction”。该综述主要从“ORR和OER反应的机理”、“MOFs ORR/OER催化剂”、“MOFs衍生的ORR/OER催化剂”等几个方面介绍了近几年代表性的研究成果，并且针对MOFs基纳米材料在ORR/OER中的发展方向进行了展望。

详见：Zhang KX, Guo WH, Liang ZB, Zou RQ. Metal-Organic Framework Based Nanomaterials for Electrocatalytic Oxygen Redox Reaction. Sci. China Chem., 2019, 62(4): 417–429. 点击左下角“阅读原文”或扫描下方二维码免费下载全文。

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通讯作者简介

邹如强 北京大学工学院材料科学与工程系教授、博士生导师。研究方向为新型多孔材料与低碳清洁能源应用。近年来围绕多孔限域和微结构表界面物理/化学吸脱附机制，开展新型多尺度分级孔材料的复合设计与功能调控研究。先后荣获国家优秀青年科学基金、国家“万人计划”青年拔尖人才、教育部“长江学者”青年学者、国家杰出青年科学基金等。发表SCI论文160余篇，撰写书籍4章节，专利10余项。