由金屬-有機框架材料製備的水相體系氧還原/氧析出催化劑的設計思路概述
金屬-有機框架材料（Metal-Organic Frameworks, MOFs）是一類由金屬離子（或團簇）與有機配體通過配位鍵形成的晶態聚合物。其配位中心的選擇幾乎涵蓋了所有金屬，而作為橋樑的配體也包括了大量的多齒羧酸類及咪唑類等化合物。這種材料設計方面極大的自由度使得MOFs材料在許多領域都擁有重要的潛在應用。另一方面，將MOFs材料用作前驅體製備功能材料同樣展現了極大的應用潛力，而其中一個重要的應用方向便是在燃料電池、金屬-空氣電池以及水電解裝置中常見的氧還原反應與氧析出反應催化劑。這兩個反應的緩慢的動力學特性使得電催化劑不可或缺，而傳統的貴金屬催化劑又受困於高昂的價格及受限的長期穩定性。因此，發展由MOFs材料製備的用於氧還原與氧析出的電催化劑便有了現實應用中的意義。
新加坡國立大學化學與生物分子工程學系趙丹（Dan Zhao）教授課題組針對性地總結了由金屬-有機框架材料製備的電催化劑，及其在水相體系中的氧還原/氧析出反應中應用。該綜述重點討論了如何通過對催化劑前驅體的調控，複合結構的構築以及後處理過程中反應條件的控制來進一步提升催化劑的活性與穩定性。
研究人員從三個方面介紹了從MOFs材料製備氧還原與氧析出電催化劑及提高其活性的方法。首先，討論了引入常見催化活性位點的原因，具體的方式以及各類常見活性位點的優劣。其中，著重討論了高活性的的金屬-氮配位結構的引入以及單原子的催化位點的製備。第二個方面是複合結構的構築。使用特定的載體，如石墨烯、碳納米管、碳布、泡沫鎳等，能進一步地分散活性位點，增加電化學活性面積。同時，對於某些電導率較低的MOFs催化劑，複合結構能夠降低整體電阻，提高催化劑的表現。最後，討論了對MOFs材料進行後處理時對反應條件的控制，例如在熱解時的溫度及氣氛。通過控制後處理條件，可以調節所得材料中與催化活性直接相關的性質，如孔隙率、形貌、活性位點的物相等，從而達到提高催化活性的目的。
在後續的研究里，研究人員認為先進的表徵技術及模擬計算將會幫助我們進一步了解活性位點的本質，從而更好地利用MOFs材料設計用於氧還原及氧析出的電催化劑。此外，用於可充電金屬-空氣電池的氧還原/氧析出雙功能催化劑也具有極大的發展前景。
※Small Methods：二硫化鈦——用於鈣鈦礦光伏的廉價空穴傳輸材料
※硫化銦——具有寬譜響應光電探測性能的新型二維材料
※具有水下超疏油性能的聚合物微/納米刷複合結構用于海洋防污
※液體在多孔薄膜材料中的單向傳輸及其功能性應用
※氧析出反應電催化劑——金屬有機骨架中的原子級CoOx物種
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