金属有机骨架及其衍生材料在电解水和锌-空气电池中的应用

电解水和锌-空气电池(ZABs)技术为解决能源危机、实现碳中和目标开辟了一条新的途径。然而,这些技术的实际应用在很大程度上受到析氢反应(HER)、析氧反应(OER)以及氧还原反应(ORR)缓慢动力学的限制。因此,迫切需要开发高效、稳定的电催化剂有效降低反应过电位,加快电催化反应进程。金属有机骨架(MOFs)由于其灵活可调的组成和精确可控的结构,已成为催化领域研究最广泛的材料之一。本文聚焦于MOFs基电催化剂的制备策略和结构特性,主要介绍它们在电解水和ZABs方面近期的研究进展,并对该领域存在的问题和发展趋势进行了总结和展望。     

金属有机骨架HKUST-1及其衍生材料在催化中的应用进展

金属有机骨架材料(MOFs)作为异相催化剂受到了日益广泛的关注。在众多经典MOFs结构中,HKUST-1及其衍生材料是研究最多的类型之一。HKUST-1具有原料简单、易于合成、结构稳定、孔隙率高等多种优点,在异相催化领域中具有广阔的应用前景。已有多种HKUST-1相关材料被用作催化剂,包括HKUST-1本身、缺陷型结构、负载活性客体分子的复合型材料以及HKUST-1衍生的多孔碳纳米材料等。本文围绕HKUST-1作为催化剂的结构设计以及在不同催化反应中的应用展开总结与介绍,以期为相关MOFs材料的设计和催化研究提供一定参考。     

金属有机骨架衍生材料在样品前处理中的应用研究进展

样品前处理技术在复杂样品的整个分析过程中起着至关重要的作用,其不仅可以提高痕量目标物在样品中的浓度,而且能有效消除样品基质对分析的干扰.对于样品前处理技术而言,吸附剂是其最为核心部分.因此开发高效、稳定的新型吸附剂已成为前处理技术领域的研究热点.近年来,由金属有机骨架(metal-organic frame-works...     

金属有机骨架材料在轻烃分离中的应用

金属有机骨架材料(metal-organic frameworks,MOFs)是一种由金属离子或金属簇通过与有机配体自组装而形成的新型材料。近年来,金属有机骨架材料在轻烃(包括甲烷、乙炔、乙烯、乙烷、丙烯和丙烷)分离方面引起了广泛兴趣。本文简要地介绍了多种金属有机骨架材料分离不同轻烃气体的最新研究进展,并对影响分离效果的因素与研究前景进行了总结和展望。     

金属有机骨架材料制备双金属或多金属催化材料及其应用

金属有机骨架（metal-organic framework,简称MOF）材料的研究在近几年相当热门,因其各种优异的性质,在催化领域得到广泛应用。然而,其本身作为催化剂的研究并不多且应用较为局限。但MOF材料规则的多孔结构及较大的比表面积为负载高分散金属纳米催化剂提供了天然的物理空间,能有效阻止金属纳米颗粒的团聚及浸出;使催化剂与反应物充分接触,有利于催化反应的进行,这也是近年来MOF材料作为催化剂的一个主要研究方向。本文着重讨论通过不同的方法将金属纳米颗粒负载在MOF材料上制备双金属或多金属催化剂并在催化领域的应用。重点介绍一锅合成法、化学吸附还原负载法、金属有机化学气相沉积法、固相研磨法等制备方法,较为详细地介绍了其在氧化（醇、烷烃、烯烃和CO氧化）、加氢（羰基类化合物和烯烃类化合物加氢）、Knoevenagel缩合、光催化（光催化降解有机物和光解水产氢）等反应中的应用,讨论了这类新型功能催化剂材料所存在的问题并对其进一步发展前景做出展望。     

金属元素替换对锌-铜基金属有机骨架材料的光吸收与能带特性的影响

选择常规的锌、铜作为金属离子、对苯二甲酸（BDC）作为有机配体,通过溶剂热法和元素替换法合成出Zn-Cu基MOFs材料。通过XRD、UV-Vis DRS、SEM、FT-IR、UPS和XPS等手段表征和研究,发现Zn（BDC）的光吸收位于紫外光波段（<400 nm）,而Cu（BDC）光吸收拓宽至整个可见光波段（500~1 000 nm）。Zn-Cu金属离子均匀分散的产物Zn-Cu-BDC比其它产物具有更宽的光吸收范围、强度和更窄的带隙;不同的合成途径导致Zn-Cu基MOFs材料表现出性质差异。     

柔性锌-空气电池进展与展望

近年来,人们越来越关注柔性可穿戴电子设备。柔性锌-空气电池由于有较高的理论能量密度以及对像人体一样不均匀表面的适应能力,有望成为下一代电子产品的电源。在柔性锌-空气电池研究领域,人们已经取得了较好的研究进展,各种柔性锌-空气电池的制备方法已被报道。本文阐述了近年来柔性锌-空气电池的主要成就以及面临的困难,特别是关注凝胶电解质、金属阳极以及柔性空气阴极对柔性锌-空气电池电化学性能的影响,最后讨论了柔性锌-空气电池面临的主要挑战与发展前景。     

用于电解水制氢的过渡金属有机骨架基催化剂

金属有机骨架(MOFs)材料因具有无机和有机的杂合性质、高度有序的多孔性、结构可修饰性、比表面积大和孔隙率高等特点,在催化领域具有广阔的应用前景。本文从氢能的开发利用角度出发,在纯MOFs、MOFs复合及衍生材料三个方面对近十年来过渡金属MOFs基催化剂在电解水制氢方面的重要研究进展进行了综述,着重针对材料的合成进行了探讨,以及在基础研究和产业应用的角度指出当前过渡金属MOFs基制氢催化剂面临的挑战和机遇,对其应用前景进行展望。     

由含铝金属有机骨架材料制备的多孔碳在锂硫电池中的应用

采用水热法制备了一种含铝金属有机骨架材料, 其在高温下发生炭化得到多孔碳, 最后与硫复合制得锂硫电池正极材料. XRD图谱显示在高温炭化时多孔碳样品出现了部分石墨化. N₂等温吸附-脱附测试分析显示合成的多孔碳材料含有微孔和介孔结构. 对不同载硫量的锂硫电池进行了充放电性能测试, 结果显示S质量分数为46.3%的样品在0.01 C倍率下首次放电容量达到1272 mA·h/g; 在0.1 C倍率下首次放电容量为934 mA·h/g, 循环性能良好.     

金属有机骨架材料在催化中的应用

金属有机骨架(MOFs)材料是一种相对新型的多孔材料,由于其结构的多样性、可设计性、可剪裁性以及超高的比表面积,近年来吸引了广泛的研究兴趣,并在很多领域展现了潜在的应用前景.特别是在催化方面的应用更受到了强烈的关注.本文的前两部分主要以催化活性位点的来源进行分类,包括配位不饱和金属中心、功能性有机配体、化学修饰接入功能位点以及嵌入在MOFs孔内的金属配合物或金属纳米颗粒等,总结了近几年来MOFs及其复合材料在多相催化方向取得的一些进展.同时在后面两部分也简要地介绍了MOFs在光催化及以MOFs为模板构筑的多孔纳米材料在催化(特别是电催化)方面的一些应用.最后,对MOFs在催化方面的应用前景做了展望.     

金属有机骨架及其复合材料在分离领域中的应用进展

金属有机骨架（MOFs）是一类由无机金属离子与有机配体自组装形成的新型有机-无机杂化多孔材料,因具有比表面积超高、结构多样、热稳定性良好、孔道尺寸和性质可调等优势,在分离领域表现出重要的应用价值。然而,采用传统方法制备的MOFs多为粒径在微米或亚微米尺度的晶体,且颗粒形貌不规则,因此限制了MOFs在样品前处理和色谱固定相等领域的应用和发展。构建基于MOFs的复合材料是弥补MOFs应用缺陷的一项有效措施,有望在保留MOFs优越的分离特性的同时,引入基体材料的特定性能。该文简要综述了近年来MOFs及其复合材料在吸附、样品前处理和色谱固定相等分离领域中的应用进展,并对MOFs在分离科学中的应用前景做出展望。     

富含吡啶氮-钴活性位点的三维多级大/介孔石墨烯作为高效可逆氧电催化剂用于可充电锌-空气电池

随着能源危机的日益严峻,能源的储存和转换越来越受到人们的重视.目前人们加以开发和利用的清洁能源主要包括太阳能、风能、氢能、地热能以及电化学能等.其中,燃料电池和金属-空气电池等作为电化学器件为电化学能的开发及可持续利用提供了条件.特别是金属-空气电池以电极电位较负的金属如镁、铝、锌、铁等作负极,以空气中的氧或纯氧作正极...     

Facile deposition of cobalt oxide based electrocatalyst on low-cost and tin-free electrode for water splitting

Facile deposition of a water-splitting catalyst on low-cost electrode materials could be attractive for hydrogen production from water and solar energy conversion. Herein we describe fast electrodeposition of cobalt-based water oxidation catalyst(Co-WOC) on simple graphite electrode for water splitting. The deposition process is quite fast, which reaches a plateau in less than 75 min and the final current density is～1.8 mA/cm2under the applied potential of 1.31 V at pH = 7.0. The scanning electron microscopy(SEM) study shows the formation of nanometer-sized particles(10-100 nm) on the surface of the electrode after only 2 min and micrometer-sized particles(2-5 μm) after 90 min of electrolysis. X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) data demonstrate the as-synthesized ex-situ catalyst mainly contains Co2+and Co3+species incorporating a substantial amount of phosphate anions. These experiments suggest that cost-efficient cobalt oxide materials on graphite exhibit alluring ability for water splitting, which might provide a novel method to fabricate low-cost devices for electrochemical energy storage.     

Facile deposition of cobalt oxide based electrocatalyst on low-cost and tin-free electrode for water splitting

Facile deposition of a water-splitting catalyst on low-cost electrode materials could be attractive for hydrogen production from water and solar energy conversion. Herein we describe fast electrodeposition of cobalt-based water oxidation catalyst(Co-WOC) on simple graphite electrode for water splitting. The deposition process is quite fast, which reaches a plateau in less than 75 min and the final current density is～1.8 mA/cm2under the applied potential of 1.31 V at pH = 7.0. The scanning electron microscopy(SEM) study shows the formation of nanometer-sized particles(10-100 nm) on the surface of the electrode after only 2 min and micrometer-sized particles(2-5 μm) after 90 min of electrolysis. X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) data demonstrate the as-synthesized ex-situ catalyst mainly contains Co2+and Co3+species incorporating a substantial amount of phosphate anions. These experiments suggest that cost-efficient cobalt oxide materials on graphite exhibit alluring ability for water splitting, which might provide a novel method to fabricate low-cost devices for electrochemical energy storage.     

Cable-like carbon nanotubes decorated metal-organic framework derived ultrathin CoSe2/CNTs nanosheets for electrocatalytic overall water splitting

The high cost and low reserves of noble metals greatly hinder their practical applications in new energy production and conversion. The exploration of cost-effective alternative electrocatalysts with the ability to drive hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER) is extremely significant to promote overall water splitting. Herein, ultrathin CoSe₂/CNTs nanocomposites have been synthesized by a facile two-step method, where the ultrathin Co-MOF (metal organic-framework) decorated with cable-like carbon nanotubes (CNTs) (Co-MOF/CNTs) was initially fabricated, and followed a low-temperature selenization process. The ultrathin CoSe₂ nanosheets as well as the superior conductivity of CNTs synergistically resulted in abundant active sites and enhanced conductivity to boost the electrocatalytic activity. The as-prepared CoSe₂/CNTs electrocatalysts exhibited an overpotential of 190 mV and 300 mV vs. reversible hydrogen electrode (RHE) at a current density of 10 mA/cm² for the HER and OER in alkaline solution, respectively, and demonstrated superior durability. Furthermore, the as-prepared bifunctional CoSe₂/CNTs electrocatalysts can act as cathode and anode in an electrolyzer, showing a cell voltage of 1.75 V at 10 mA/cm² for overall water splitting.     

过渡金属电解水催化剂的非金属掺杂研究进展

过渡金属基材料成本相对较低,催化性能较为优异,是在全水分解领域最有希望替代贵金属基电催化剂的候选材料之一,但有限的活性位点、相对较差的电导率等因素限制了其广泛应用。非金属元素掺杂能够调节主体材料电子结构,优化吸附能,从而对过渡金属基电催化剂的活性与稳定性产生积极影响,缩减其与贵金属材料性能差距。本文总结了近年来非金属元素改性在过渡金属基电催化材料中的相关研究,系统综述了非金属元素掺杂的方法和不同非金属元素的掺杂效果,从物理化学性质的改变和电子结构的变化多角度分析了非金属元素改性对过渡金属基材料的影响,最后对非金属元素掺杂过渡金属基电催化剂的未来发展方向作出了展望。     

Metal-organic frameworks and their derivatives for Li-air batteries

Metal-organic frameworks(MOFs) are a class of outstanding materials in Li-air batteries because of their high surface areas,tailorable pore sizes and diverse catalytic centers.However,MOF-based batteries are facing challenges such as poor electronic conductivity and inferior long-cycle stability that limit their further development.This review first summarizes the progress of pristine MOFs and MOF-derived materials in Li-air batteries in the past 5 years,then provides a perspective for subsequen...     

中空和基底支撑型普鲁士蓝及其类似物和衍生物用于绿色水分解

随着世界对能源需求的日益增长,为减少对化石燃料的严重依赖同时实现碳达峰和碳中和,迫切需要探索发现新型能源和能源载体.与其他燃料相比,氢气具有零碳排放、能量密度高、清洁可再生和来源广泛等特点,因此被认为是理想的能源载体.目前,工业制氢主要有三种策略,分别是甲烷水蒸气重整(SMR)、煤炭水蒸气(CG)和水电解(WE).其中SMR和CG制氢占95％,而WE制氢仅占4％.虽然前二者制氢成本较低,但会伴生大量的二氧化碳,相比之下,WE制氢纯度高,绿色无污染,更加符合目前的环保理念.目前WE制氢的核心问题之一就是设计和合成高效、廉价的电催化剂.具有类贵金属催化性能的过渡金属基电催化剂(例如钴基、镍基和铁基材料)已经引起了学术界的广泛关注.配位聚合物(CP)由于其具有固有的金属元素、内部结构化学可调、比表面积大和结构有序等优点,在吸附、催化和储能等领域得到了广泛的应用.作为18世纪发现的第一个人工配位聚合物,普鲁士蓝(PB)及其类似物(PBAs)和具有可调金属中心的衍生物作为一种新型的光催化剂或电催化剂受到了广泛的关注.本综述详细介绍了以普鲁士蓝及其类似物和衍生物构筑的中空结构和基底支撑型纳米材料在绿色水分解方面的基础研究及应用进展.本文首先简单介绍了普鲁士蓝及其类似物的基本结构组成,并对其优缺点进行了总结;随后,针对普鲁士蓝及其类似物的中空结构的合成策略和形成机理展开了详细地阐述,包括单层中空纳米盒、开孔式纳米笼以及复杂中空结构等;此外,针对基底支撑型普鲁士蓝及其类似物结构合成机理也进行了详细地解释,包括泡沫镍网、铁网、碳布、铜网等基底,并与中空结构进行了对比总结,该类负载型结构可以充分发挥活性位的利用效率,达到更好的催化性能.此外,结合最新的研究进展,介绍了普鲁士蓝及其类似物和衍生物(氢氧化物、磷化物、硫族化合物和碳化物)在水裂解中的应用,包括电解水和光催化制氢,并对电解水的机理进行了总结.最后,本文总结了该领域目前存在的局限性和面临的紧迫挑战.希望本综述能够激发更多研究者投身于复杂结构普鲁士蓝及其类似物和衍生物的高效绿色水裂解方面的研究工作.     

The Advanced Multi‐functional Electrocatalyst Efficiently Built from Multi‐integrated Sites for Overall Water Splitting and Rechargeable Zinc‐air Battery

Exploration of cost‐effective, high‐performance and durable multifunctional electrocatalysts is of significant importance for renewable energy conversion and storage. In this work, a simple strategy is developed to tailor the nickel metal with the collaboration of nitrogen‐doped graphene and single‐walled carbon nanotubes. The resulted nickel catalyst exhibits superior trifunctional activities for oxygen evolution, hydrogen evolution and oxygen reduction reactions in the same electrolyte, even comparable to commercial Pt/C and RuO₂ respectively, which can be attributed to the synergistic advantages between nickel, nitrogen and carbon, mainly including abundant integrated active sites achieved by the irregular charge distribution among C?N and Ni?N coupling centers. Such remarkable effects on trifunctional catalysis elicit the efficient overall water splitting, and endow the assembled zinc‐air battery with a good performance. These highlight the metallic nickel as an advanced multifunctional electrocatalysts with integrated sites developed from the collaboration of two different carbon nanomaterials.