ACS Energy Lett.┃金属有机框架材料的能源转换与存储应用：成分调控和纳米结构设计

英文原题：Metal-Organic Framework-Based Materials for Energy Conversion and Storage

通讯作者：邹如强，北京大学

作者：Tianjie Qiu, Zibin Liang, Wenhan Guo, Hassina Tabassum, Song Gao, and Ruqiang Zou

开发清洁高效能源转换与存储技术是解决日益严重的能源短缺和环境污染等问题的必由之路，光/电催化能源转化和电化学储能技术是目前该领域的研究热点。传统光/电催化剂和储能材料仍然面临孔隙率低、活性位点少、制备工艺复杂、稳定性差等技术难题，严重制约了其商业化应用，因此亟需开发新型能源存储与转化技术。金属有机框架（MOF）作为一类新型的无机有机杂化晶态多孔材料，具有比表面积大、孔隙率高、结构和化学组成可调等特点，其确定的原子键合方式和空间构型对活性物质中心的确定和化学反应机理的探索十分有利，在能源催化转化与存储方面展现出巨大的应用前景。此外，将MOF与金属纳米颗粒、量子点、碳纳米管等纳米材料复合形成的MOF复合物及其衍生制备的多孔碳、金属化合物等材料能够继承纯MOF高比表面积、高孔隙率的优点，而且展现出了优于纯MOF材料的导电性、光电化学特性和稳定性等特性，这使得这些MOF材料在能源存储与转换领域表现出巨大的应用前景，引起了研究者的广泛关注。但MOF材料在能源转换与存储领域也面临着很多挑战，通过合理设计，开发高活性、高稳定性MOF材料，对MOF材料广泛应用于能源转换与存储技术十分关键。

图1. MOF及其衍生物用于能源存储与转换系统的优势

近日，北京大学邹如强教授（点击查看介绍）应邀在ACS Energy Letters 上综述了MOF材料在光/电催化以及电化学储能领域的应用和前景，通过系统地探讨基于成分调控和纳米结构设计的工程策略，设计应用于高效能源转换与存储系统的MOF材料。

纯MOF的成分设计策略包括对其金属节点和有机配体的设计，并由此调节纯MOF材料应用于能源存储与转换时的活性中心电子结构、提高电子-空穴分离效率、增加MOF导电性以及稳定性等。纯MOF材料的成分设计策略包括引入金属节点缺陷和配体缺陷，引入修饰官能团、杂金属位点、不饱和位点以及导电骨架等手段。

图2. 对纯MOF的金属节点和有机配体进行成分设计并应用于能源存储与转换应用

图3. MOF复合物成分设计策略

MOF复合物材料应用于光/电化学能源转化与存储系统时的优势在于复合物中的不同组分可以有效地引入多功能性和协同效应，可以获得良好的性能表现和高稳定性。MOF复合物的成分设计策略可分为两类：（1）利用MOF包覆不同客体材料如金属纳米颗粒、量子点和金属复合物分子等；（2）利用碳纳米管、石墨烯以及多孔碳等载体负载MOF。

图4. MOF衍生物成分设计策略

MOF衍生物成分设计策略主要包含：（1）以MOF为前驱体制备多孔碳；（2）以MOF为前驱体制备金属化合物；（3）以MOF为前驱体制备碳-金属复合物。在制备MOF衍生物过程中，通过对MOF前驱体金属节点和配体合理选择以及对衍生条件（煅烧温度、气氛、溶剂热转化等）的选择可以有效实现对MOF衍生物进行多种杂原子掺杂，从而引入活性中心，调节活性中心电子结构，同时获得高的孔隙率，加速传质过程；将MOF与不同客体材料复合衍生制备MOF衍生物，还可以获得多组分多活性中心衍生物材料，进而实现多功能性，在高性能和高稳定性能源存储与转换系统中表现出巨大潜力。

图5. MOF材料的纳米结构设计策略

MOF材料纳米结构设计策略主要在零维到三维尺度上对MOF材料形貌进行调控。通过对MOF材料制备过程的精确调控，可以获得具有零维纳米颗粒、一维纳米线、二维纳米片等形貌的 MOF材料。具有低维形貌的MOF材料可以获得更丰富的表面，进而使活性位点富集和暴露在材料表面，充分与外界环境接触，从而使反应物与活性位点可以进行快速反应。此外，设计具有分级孔结构的MOF材料可以进一步加速物质传递过程和促进反应动力学。设计三维分级孔MOF材料可以有效避免低维材料在应用过程中由于材料堆积团聚引起的活性物质被屏蔽的缺点，三维分级孔结构可以增加材料结构稳定性，兼具快速反应动力学、高活性和高稳定性的优势，具有广阔的能源转化与存储工业化前景。

最后，作者指出虽然近些年MOF材料在能源转化与存储领域中的应用中取得了长足的发展和瞩目的成就，但仍然存在许多问题亟待解决：（1）纯MOF材料在严苛电化学条件中的稳定性问题；（2）MOF与复合材料的可控制备和协同作用机制；（3）MOF衍生物衍生制备过程的精确功能调控。随着表征技术的进步和对光/电化学原理越来越深刻的理解，利用MOF材料可以有效构建成分-结构-性能关系，为构建新型高性能光/电能源转化与存储材料提供方向，最终将具有优越光/电性能的MOF材料应用于实际工业能源转换与存储系统。

相关论文发表在ACS Energy Letters 上，北京大学博士研究生邱天杰为文章的第一作者，邹如强教授为通讯作者。

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Metal–Organic Framework-Based Materials for Energy Conversion and Storage

Tianjie Qiu, Zibin Liang, Wenhan Guo, Hassina Tabassum, Song Gao, Ruqiang Zou*

ACS Energy Lett., 2020, DOI: 10.1021/acsenergylett.9b02625

Publication Date: January 8, 2020

Copyright © 2020 American Chemical Society

通讯作者介绍

邹如强，北京大学博雅特聘教授、博士生导师、国家杰出青年科学基金获得者、科睿唯安全球高被引科学家。主要从事新型多孔绿色能源纳米材料的设计制备及应用研究，开发了基于纳米金属有机骨架的新型非贵金属电催化剂，为开发燃料电池、水电解制氢催化剂提供新思路。主持国家级和省部级项目20余项，先后荣获中组部“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、日本化学会杰出演讲奖、2019科睿唯安全球高被引科学家等重要荣誉与奖项。发表SCI论文共发表SCI论文180余篇，论文引用10000次；发表书籍4章节，专利10余项。任EnergyChem、Chin. Chem. Lett.、Sci. Rep.编委，Adv. Energy Mater.、APL Mater的客座编辑。

https://www.x-mol.com/university/faculty/18951

（本稿件来自ACS Publications）