中国科学院合肥物质科学研究院

近年来,金属有机框架材料作为一种新兴的由金属节点和有机配体形成的三维多孔材料,凭借其可调的组分、结构与尺寸、多功能性、以及良好的生物相容性等,在药物输送、成像造影剂和癌症治疗领域受到广泛重视。尽管MOFs在纳米生物学领域已取得了一定的成果,但探索基于MOFs材料发展诊断与治疗(如载药、光热、光动力学)于一体的新技术仍然是人们研究的方向。

近日工学院邹如强课题组在《德国应用化学》(Angewandte
Chemie
)上发表了题为“Puffing up Energetic Metal-organic Frameworks to
Large Carbon Networks with Hierarchical Porosity and Atomically
Dispersed Metal
Sites”的研究论文,报道了关于负载有单原子金属位点的三维多孔碳骨架复合材料的制备,以及其在燃料电池氧还原催化的应用。

燃料电池作为新能源器件,因其能量密度高、产物零污染而备受关注。目前,燃料电池的发展及推广面临着很多严峻的挑战。其中,电池阴极氧气还原反应的发生需要较高的过电位。为了提高氧气还原反应的能效,设计合成具有高催化活性、高催化稳定性的催化剂材料具有十分重要的意义。贵金属催化剂Pt具有较高的氧还原催化活性,但是却受到价格高、稳定性差等因素的制约,无法实现产业化和商业化。因此,研究制备非贵金属基催化剂材料成为该领域研究的重点及热点。金属颗粒的催化活性依赖于其尺寸,单原子催化剂作为催化的最小单元,具有极高的催化活性和原子利用率,在催化领域受到越来越高的重视。然而,单原子催化剂因其表面能量高,易发生团聚而导致活性下降,制备高效且稳定的单原子催化剂是该领域面临的一项挑战。

金属有机骨架材料(Metal-organic frameworks,
MOFs)是由金属位点及有机配体通过周期性配位而形成的一种新型多孔材料。该材料具有较高的比表面积、规整的孔道结构及可控的成分组成,被广泛应用于气体的吸附及分离、传感、催化等领域。通过高温热处理,MOFs可以进一步转化为具有特定物理化学特性的衍生材料,包括MOF衍生碳材料、MOF衍生金属/金属化合物材料及两者构成的复合材料。近年来,MOF衍生材料作为催化剂材料被广泛应用于燃料电池氧还原反应中。在惰性气氛中热处理时,MOFs中的有机配体会发生分解而转变为碳基地,其金属位点会发生氧化还原反应而变为金属/金属化合物颗粒。由于高温会导致金属/金属化合物颗粒的团聚,MOF衍生单原子催化剂材料的报道依旧比较少。同时,已报道的MOFs在转变为MOF衍生材料后,结构上会发生一定程度的坍塌,体积上会发生一定程度的收缩,大多为几百纳米的纳米碳颗粒,在导电和传质上效率不高。相对而言,具有分级孔道结构的大尺度的三维碳材料因其高比表面积及丰富的孔道而具有空间连续的电子传导和物质传导速率,在催化领域有非常重要的应用价值。将上述单原子金属位点的优点(高活性)和大尺寸三维碳材料的优点(高导电、传质)结合起来,制备负载有单原子金属位点的大尺寸的三维MOF衍生氧还原材料被赋予高度的研究意义。

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