MOF@hule mesoporøse kulstofsfærer som bifunktionelle elektrokatalysatorer

Med den hurtige udvikling af industriel teknologi, energikrisen forårsaget af mangel på fossil energi har været et voksende problem. De vedvarende og grønne energikilder såsom brændselscelle- og metal-luft-batterier betragtes som pålidelige alternativer til fossile brændstoffer. Iltreduktionsreaktion (ORR) og oxygenudviklingsreaktion (OER) er vigtige semireaktioner i disse applikationer. Ædelmetalkatalysatorerne anvendes i vid udstrækning til både ORR og OER. Imidlertid, deres knaphed, høj omkostning, og dårlig holdbarhed hæmmer kraftigt anvendelse i stor skala. Derfor, et rationelt design af bifunktionelle ikke-dyre oxygenelektrokatalysatorer er yderst ønsket.

Metal-organiske rammer (MOF'er), en ny klasse af materialer med særlige kemiske og fysiske egenskaber har tiltrukket sig enorm opmærksomhed i de seneste år for deres alsidige potentielle anvendelser. For nylig, anvendelse af MOF'er i elektrokemiske reaktioner har været et spirende forskningsfelt, fordi det høje overfladeareal af MOF'er kan maksimere tætheden af ​​det aktive sted, og de specielle kemiske strukturer af MOF'er giver et skræddersyet mikromiljø til kontrollerbar reaktion i porerne. Imidlertid, brug af MOF'er direkte i elektrokatalysefeltet rapporteres sjældent på grund af deres lave iontransport og ugunstige elektriske ledningsevne.

Indkapsling af nanopartikler i hul mesoporøs kulstofkugle (HMCS) er et klassisk design. Dette design er nyttigt til at stabilisere katalytisk aktive steder, øge den elektriske ledningsevne og reducere massetransportlængder. Blommen-skal struktur designs såsom metalliske nanopartikler @ carbon og metal oxide @ carbon er blevet meget brugt i lithium batterier, katalyse, og på andre områder. Imidlertid, designet af MOFs@HMCS yolk-shell struktureret hybridmateriale er endnu ikke blevet rapporteret. Derfor, det antages, at den omfattende kombination af MOF'er med HMCS til at konstruere et æggeblomme-skal struktureret hybridmateriale effektivt vil overvinde den førnævnte mangel ved MOF'er-materialer i elektrokatalysefeltet.

Som svar på denne udfordring, for nylig, forskerholdet ledet af prof. Cao Rong fra Fujian Institute of Research on the Structure of Matter af det kinesiske videnskabsakademi designet et æggeblomme-skal struktureret ZIF-67@HMCS hybridmateriale ved at bruge ZIF-67 som kerne og hule mesoporøse kulstofkugler (HMCS) som skaller. Partikelstørrelsen af ​​ZIF-67 er godt kontrolleret ved at udnytte den rumlige indeslutningseffekt fra HMCS, hvilket forkorter diffusionsvejene og forbedrer iontransporten. Indkapsling af ZIF-67 i HMCS øger også dens ledningsevne markant. I øvrigt, de typiske hierarkiske porestrukturer af HMCS garanterer diffusionen af ​​reaktive arter til de eksponerede aktive steder af ZIF-67 hurtigt og effektivt, og dermed forbedre den elektrokemiske aktivitet. ZIF-67@HMCS hybridmaterialet udviser overlegen bifunktionel elektrokatalytisk aktivitet over for både ORR og OER. Hvad mere er, det samlede Zn-air-batteri fra ZIF-67@HMCS som luftkatode giver også imponerende ydeevne og langsigtet stabilitet.

Dette bifunktionelle æggeblomme-skal strukturerede hybridmateriale kunne være en lovende kandidat som en elektrokatalysator i brændselsceller og elektrolysatorer til vedvarende energianvendelser. Dette arbejde baner også en ny vej mod at designe stabile MOF'er, der anvendes direkte som højeffektive elektrokemiske katalysatorer i lovende energilagringsenheder for at imødekomme den voksende efterspørgsel efter stabil energiforsyning.