金屬學(xué)有機(jī)骨架材料的應(yīng)用與研究論文
摘要：金屬有機(jī)骨架（MOFs，metal—organic frameworks），是一種新型多孔材料，由多種的過渡金屬原子或金屬原子簇與多樣的有機(jī)配體的結(jié)合，使得MOFs材料的結(jié)構(gòu)與性能呈現(xiàn)出極其豐富的可能性。與傳統(tǒng)的無機(jī)材料相比，MOFs材料的孔隙率更高、比表面積更大、結(jié)構(gòu)規(guī)整、有機(jī)配體易修飾而功能化，其在氫氣存儲(chǔ)、燃料電池陰極催化劑、超級(jí)電容器等研究領(lǐng)域都展現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用前景，MOFs材料已經(jīng)成為了熱門研究領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：MOFs；氫氣存儲(chǔ)；燃料電池陰極催化劑；超級(jí)電容器
1、氫氣存儲(chǔ)
氫氣因其來源廣泛、無污染而成為替代能源中的熱門領(lǐng)域。高壓儲(chǔ)氫存在安全隱患，而低溫液化儲(chǔ)氫的能耗高，因此當(dāng)務(wù)之急是尋找一種能在常溫常壓下存儲(chǔ)氫氣的方法，而金屬有機(jī)框架因其多孔性、比表面積大、結(jié)構(gòu)可控等特點(diǎn)吸引了研究者的注意力。Liu等人[1]合成了GDMU—2，在77 K，1 bar的條件下儲(chǔ)氫量達(dá)到了2。16 wt%，可見在室溫下很難獲得儲(chǔ)氫性能高的MOFs材料。Wu等[2]探究了溫度對(duì)MOFs材料儲(chǔ)氫性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)從77 K到117 K，MOFs材料的儲(chǔ)氫性能逐漸下降，更證實(shí)了在常溫下想制得高儲(chǔ)氫量的MOFs是很困難的。但是鑒于其多孔性、比表面積大、結(jié)構(gòu)可控等優(yōu)點(diǎn)，未來應(yīng)繼續(xù)朝著制備常溫常壓下具有高儲(chǔ)氫量的MOFs材料努力。
2、燃料電池催化劑
眾所周知，金屬鉑作為氧還原（ORR）最好的催化劑，由于其成本高而且儲(chǔ)量少，限制了燃料電池的推廣使用。許多研究著眼于制備成本低廉的非Pt基催化劑，其中MOFs材料以其良好的性質(zhì)吸引了許多研究者的注意。
Wang等人[3]探究了不同因素對(duì)催化劑性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨著熱解溫度的升高，起始電位和半波電位都增大，同時(shí)飽和電流密度也增大，在酸性、堿性條件下的ORR催化活性都有所升高。高溫?zé)峤庵苯又苽涞玫降拇呋瘎�，往往是多孔碳材料。而Xia等人[4]制備出了一種新型的催化劑Co@Co3O4@C—CM，該種催化劑具有新穎的核殼結(jié)構(gòu)，這種核殼結(jié)構(gòu)解決了MOF孔穴結(jié)構(gòu)在高溫?zé)峤庵苽涠嗫滋疾牧蠒r(shí)可能被破壞的問題。實(shí)驗(yàn)測得Co@Co3O4@C—CM的`ORR起始電位為0。93 V，半波電位為0。81 V，這與商業(yè)用Pt/C催化劑的性能十分接近。因此，制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碳材料可能不失為一種良好方法。
3、超級(jí)電容器
超級(jí)電容器（supercapacitor，SC）是一種介于充電電池和傳統(tǒng)電容器之間的新型儲(chǔ)能設(shè)備，功率密度高、充放電時(shí)間短、工作范圍溫度寬、循環(huán)壽命長，具有良好的應(yīng)用前景[9]。MOFs材料被研究者應(yīng)用于SC領(lǐng)域是因?yàn)槠渥陨淼亩嗫仔越o電子和離子的傳輸帶來了方便，同時(shí)MOFs材料的結(jié)構(gòu)有序、活性位點(diǎn)分散、比表面積較大等條件都有利于能量轉(zhuǎn)換過程，MOFs一般被研究應(yīng)用于贗電容中。
Lee等人[6]合成了具有良好導(dǎo)電性能的Co—MOF，比電容達(dá)到了206。76 F/g。在1000次循環(huán)之后，Co基MOF材料的CV曲線沒有發(fā)生明顯變化，這證明了該種MOF材料擁有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。Kang等人[7]合成了Ni基MOF，Ni3（btc）2·12H2O，并繪制出Ni基MOF的CV曲線，其CV曲線特征與EDLCs相差較遠(yuǎn)，應(yīng)為贗電容。在循環(huán)5000次后，電容保留了起始值的65%，可見該Ni基MOF擁有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。然而，制備具有高導(dǎo)電性的MOFs總是比較困難。比起制備具有導(dǎo)電性的MOFs材料，將MOF與其它材料相復(fù)合可能更具操作性。
4、總結(jié)與展望
綜上對(duì)金屬有機(jī)框架（MOFs）材料在氣體吸附及儲(chǔ)存、燃料電池催化劑、電容器等方面的應(yīng)用。充分證實(shí)了MOFs材料以自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，屹立于當(dāng)今科學(xué)研究的前沿，其發(fā)展前景不可小覷。
參考文獻(xiàn)：
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