北京化工大学段雪院士团队NMS发文：用于含气反应的MOFs集成电催化剂

4/29/2023 1:05:00 PM

本文要点：

1. 总结了多种合成MOF衍生集成电催化剂和MOF衍生碳基集成电催化剂的方法

2. 综述了MOF衍生集成电催化剂的应用

3. 综述了集成电催化剂的原位研究

集成电催化剂(IECs)是将合成的功能材料直接生长在电流收集器上，由于其高效的活性，高稳定性和容易组装到设备的原因，引发了越来越多的电催化领域的兴趣。近年来，金属有机骨架（MOFs）因其低成本、大表面积和高效结构可调性等特点，为构建先进的IECs提供了良好的支持。

北京化工大学段雪院士团队在期刊Nano Materials Science上综述了基于MOFs的新型IECs应用于含气反应的发展前景与挑战。

图1 MOFs衍生IECs示意图

含气反应，如析氧(OER)、析氢(HER)、氧还原(ORR)、CO₂还原(CO₂RR)和氮还原反应(NRR)，已被广泛用于电化学能源技术(如金属-空气电池、水裂解和碳利用)。上述反应的性能在很大程度上取决于电极的效率，因此有必要探索极具前景的电催化剂。虽然已经进行了大量的工作，但报道的电催化剂的实际应用仍然面临着限制，特别是电催化剂在电极上的组装。这些性能不理想的电催化剂共同存在的一个问题就是在制备过程中出现了严重的结块现象。这将减少活性位点的暴露和利用。此外，构建电极涂层所需的电催化剂与粘结剂的复杂混合物(如Nafion等)不仅需要额外的时间和精力，还会导致活性位点进一步嵌入，质量扩散和电子传递过程受到限制。因此，保证活性位点的充分利用，加快质量扩散和电子传递过程是高效电化学反应的前提条件。

将功能材料(如纳米膜、纳米片、纳米棒、纳米线和分层结构阵列)原位构建在集电流电极上，获得了集成电催化剂（IECs），避免了传统涂覆电极所遇到的问题，在电催化方面取得了较好的成就。设计精良的IECs在制备和电化学反应中具有诸多优势:(1)不依赖于粘结剂，简化了合成过程，降低了制备成本;(2)气液固界面完全暴露，结构单元独立分散，活性位点利用率高;(3)活性材料与集电极的紧密接触加速了电子传递过程，增强了稳定性;(4)输送通道丰富，传质过程增强。基于以上优点，各种IECs被开发出来并取得了优异的性能。通常，MOFs衍生的IECs不仅继承了原始MOFs的大表面积和良好孔隙度的特性，而且还实现了金属和非金属掺杂原子（O,N,P,S）的高效掺杂。因此，MOFs衍生的IECs引起了人们的极大兴趣，也需要在电催化含气反应中进行进一步的探索。

近年来，从合成方法、结构和活性调控以及应用等方面对MOFs衍生材料进行了较为全面的总结和探讨。然而，目前国内外对基于MOFs的电催化用IECs，特别是其合成方法和结构-活性关系的研究较少。因此，本文旨在系统总结基于MOFs构建IECs的最新进展和未来机遇。首先，总结基于MOFs构建IECs的多种综合策略，包括水热及溶剂热、模板定向、静电纺丝、电沉积等方法。然后，讨论了不同类型IECs在OER、HER、ORR、CO₂RR和NRR气相反应电催化中的各种应用。在此基础上，综述了一些用于IECs的原位技术。在这一部分中，重点分析了IECs的结构-活性关系和性能增强的根源。最后，在已有研究成果的基础上，讨论了该研究领域面临的挑战和发展前景。

图2 水热/溶剂热法合成

图3 电沉积法导电衬底上电合成ZIF薄膜

图4 原位技术

参考文献:

[1]Y. Song, W. Xie, M. Shao, X. Duan, Integrated electrocatalysts derived from metal organic frameworks for gas-involved reactions, Nano Materials Science