南开大学卜显和院士团队综述:金属有机框架(MOFs)在电催化领域的最新进展

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南开大学卜显和院士团队综述:金属有机框架(MOFs)在电催化领域的最新进展

2024-07-03 19:19:41| 来源: 网络整理| 查看: 265

由于MOFs具有高设计性的结构、高孔隙率、高比表面积和易于功能化等优点,已被证明是电催化领域中非常有前途的电催化剂。近年来,MOFs在电催化领域的研究经历了快速发展。本文中,首先总结了评估电催化反应的参数,然后按照单金属MOFs、双金属MOFs、MOFs基复合材料、MOFs作为载体的类别,详细总结了MOFs材料在不同电催化反应中应用的研究进展,包括析氢反应、氢氧化反应、析氧反应、氧还原反应和氮还原反应。其中,涵盖了电催化剂的设计调控策略,如二维导电MOFs的合成、不饱和金属位点的设计、MOFs纳米阵列的构建以及高稳定性MOFs的构筑等。通过上述几种策略在微观/宏观基础上精确制备特定结构,以提高催化剂的导电性、稳定性和活性位点的数量,并提高单个活性位点的本征催化活性。同时,总结了每个电催化反应的反应过程和反应机理,使读者对每个反应有更清晰和深入的了解。虽然目前MOFs基电催化剂的研究已经取得了阶段性成果,但距离工业化应用仍有一定差距,以下问题仍需进一步探索和解决:

首先,无论是在已相对发展成熟的HER、OER和ORR领域,还是在新生的HOR和NRR领域,很少有MOFs电催化剂能超越贵金属基准催化剂的活性和稳定性。同时,动力学缓慢的起源还需要探索,其深层原因需要理论与实验共同解释。从实验的角度来看,强烈建议进行原位监测和表征(如原位XPS/Raman光谱/PXRD图谱等),以深入了解MOFs在催化过程中发生的组成和结构的改变,并实时观察各催化反应中间体的变化、相互作用和带强度等。此外,密度泛函理论(DFT)计算是确定最佳自由能活性位点和证实实验现象的重要工具,同时理论计算也可用于指导MOFs催化剂的设计。虽然现在很多研究人员都在深入挖掘理论计算对实验的预测作用,但仍然不能每次都做到理论结果与实验的合理吻合,仍需要进行系统的研究和探索。

第二,MOFs基电催化剂的微观结构应该得到更精确的控制。电催化材料对形貌的要求较高,这在一定程度上决定了其催化性能。纳米颗粒尺寸小、分布均匀的形态对电荷传输更有利。此外,MOFs和复合物种之间的协同效应需要精确调整,这是影响催化性能的关键因素之一。同时,电催化剂的导电性对电催化反应至关重要,由于MOFs本身的导电性较差,通过构建二维导电MOFs可以在很大程度上提高导电性,从而提高催化活性。

第三,目前在各种电催化反应中,MOFs比无机活性材料更容易失活。可以根据HASB理论设计高稳定性的MOFs,并通过调整微观结构、结晶度和晶体取向来提高其稳定性。基于这些挑战和问题,研究人员需要进一步开发经济、环境友好和高度耐用的MOFs基电催化剂,以促进后续工业应用。



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