学术成果 | 金属有机框架及其衍生材料用于电化学能源存储与转换
引言 —— 金属有机框架简介
金属有机框架（Metal-Organic Frameworks），简称MOFs，是由有机配体和金属离子或团簇通过配位键自组装形成的具有分子内孔隙的有机-无机杂化材料。金属有机框架具有高比表面积、孔道高度有序且尺寸结构可调控、组分可调且易于功能化等特点，在气体吸附与分离、异相催化、化学检测、生物医药等领域具有广阔的应用前景。此外，利用金属有机框架的有机-无机杂化特点、多孔结构和反应特性，可作为前驱物用于可控合成多种具有微纳米结构的无机功能材料。金属有机框架及其衍生材料近年来受到广泛的关注，尤其在新能源领域展现出广阔的应用前景。
研究成果
在2017年12月1日发表的Science Advances（Wu and Lou, Sci. Adv. 2017;3: eaap9252）上，浙江大学吴浩斌研究员和新加坡南洋理工大学楼雄文教授团队合作撰写了关于金属有机框架及其衍生材料用于电化学储能、催化的综述文章，系统概述了金属有机框架相关材料在二次电池、电化学电容器、电解水制氢和燃料电池等领域的研究现状和应用前景。一方面，金属有机框架材料可作为电极材料用于电池、电容器等储能器件；可作为电催化剂应用于电化学制燃料和燃料电池等电化学转能技术；此外，通过制备具有离子电导性质的金属有机框架材料，可开发新型的固态电解质。另一方面，利用金属有机框架作为前驱物，可以可控高效地制备具有不同化学组分、微纳米结构和优异电化学特性的无机功能材料，通过组分和结构的调控实现高性能的电化学储能、催化性能。作为快速发展的新兴功能材料，金属有机框架及其衍生材料给可再生能源的清洁高效利用带来了新的机遇，同时也面临各种挑战。
内容简介
图2. 金属有机框架材料用于电化学储能
A-C. 金属有机框架作为锂离子电池正极材料
D. 钠离子在普鲁士蓝晶体中的嵌入脱出
E-F. 基于金属有机框架的电化学电容器
G-I. 导电金属有机框架用于电化学电容器
J-L. 金属有机框架作为硫载体用于锂硫电池
图3. 金属有机框架用于电化学催化
A-B. 金属有机框架用于氧气还原反应
C-E. 超薄金属有机框架纳米片用于电化学析氧
F-G. 基于钴的金属有机框架用于电化学析氧
H-I. 金属有机框架辅助的电化学产氢
图4. 金属有机框架作为离子导体
A-C.具有酸根的金属有机框架作为质子导体
D-E. 吸附咪唑分子的金属有机框架作为质子导体
F-G. 拥有层状结构和连续氢键的金属有机框架质子导体
H-I. 基于金属有机框架的锂离子导体
图5.金属有机框架衍生材料的化学组分调控
A-C. 金属有机框架衍生的多孔碳材料及其复合材料
D-E. 金属有机框架衍生的多种镍基化合物
F-I. 金属有机框架复合前驱物衍生的钼基-碳和碳化铁-碳复合材料
图6. 金属有机框架衍生材料的形貌和结构调控
A. 金属有机框架衍生的一维和二维纳米碳材料
B-D. 金属有机框架衍生的多孔碳负载碳化钼纳米颗粒复合结构
E-F. 金属有机框架衍生的空心及框架结构
G-H. 金属有机框架衍生的纳米线阵列和多孔块体结构
图7. 金属有机框架衍生物功能材料的应用
A-B. 金属有机框架衍生纳米碳材料用于双电层电容器
C-E. 金属有机框架衍生多层空心氧化物用于混合电容器
F-G. 金属有机框架衍生空心结构作为硫载体用于锂硫电池
H. 金属有机框架衍生金属硫化物用于电化学产氢
I-K. 金属有机框架衍生的碳纳米管空心结构作为氧还原-析氧双功能催化剂
