AEM: 用于电催化的2D MOF和COF研究进展

雨辰

2021-04-15

在过去的几年中，开发用于可再生能源转换的高效电催化剂的需求急剧增加。金属有机框架材料(MOFs)和共价有机框架材料(COFs)是提高各种电化学能量转换反应催化效率的有前途的材料。与通常通过典型的合成路线获得的3D MOFs和COFs相比，通过创新的合成策略可以实现2D MOF和COF，并且在化学和结构性能方面显示出更多的优势。具体来说，二维材料的大孔隙率和超薄结构使得其具有比表面积大、机械柔韧性强、电导率高、反应过程中质量传输快等特性，这些特性非常适用于电催化。

有鉴于此，高丽大学Soo Young Kim和首尔国立大学Ho Won Jang等人，综述了用于电催化的2D金属有机框架材料(MOFs)和共价有机框架材料(COFs)的研究进展。

本文要点

1）首先讨论了二维MOFs和COFs的合成方法。然后，介绍了用于电催化反应的2D材料的独特优势和最新进展，包括水裂解反应、O₂还原反应、CO₂还原反应和N₂还原反应。最后，讨论了开发具有增强催化性能的稳定2D MOF和COF的关键问题。

2）2D MOF和COF纳米片是有望替代传统贵金属催化剂的电化学催化剂。由于其独特的结构特征（包括可调结构，超薄层，丰富的活性区域，较大的表面积，高孔隙率和良好的柔韧性），预计在不久的将来用作电子催化剂的2D MOF和COF的数量将会增加。综述了二维MOF和COF纳米片的制备方法，分为自上而下法和自下而上法，并将其分为机械/化学法和物理/化学法。总之，超声方法是将大量MOF和COF剥离成纳米片的最常用策略。但是，通过自下而上的方法直接合成2D MOF和COF纳米片产率低。界面法广泛应用于自下而上法制备二维MOFs和COFs，其产率比超声方法高。由于结构单元的不同，即MOFs为金属和有机化合物，COFs仅为有机化合物，所以尽管结构相似，但合成方法略有不同。例如，由于调节剂也是有机连接基，因此不能将调节剂辅助方法应用于合成2D COF。同样，仅在COF合成的情况下，才可以考虑较强的层内共价键。为了克服典型的MOF和COF的低电导率，已经制造了几种基于MOF和COF的复合材料。

3）这些最近报道的2D MOFs和COFs在OER、HER、ORR、CRR和NRR方面表现出比块状结构材料更好的电催化活性。一些报道的2D MOF和COF纳米片的催化性能与商业贵金属催化剂相当且更好。最后，关于OER和HER的2D MOFs和COFs已被积极报道，而ORR、CRR和NRR的MOFs和COFs仍相对缺乏探索。MOFs和COFs在能源材料中的应用得到了飞速的发展，其二维纳米片结构已成为许多研究者关注的焦点，并对其作为替代催化剂的应用前景寄予厚望。设计具有高导电性和稳定性的二维MOFs、COFs及其衍生物材料已成为一个重要的研究课题。将实验与理论计算相结合，可以揭示反应机理。

参考文献：

Min Kyung Lee  et al. Two‐Dimensional Metal–Organic Frameworks and Covalent–Organic Frameworks for Electrocatalysis: Distinct Merits by the Reduced Dimension. Advanced Energy Materials, 2021.

DOI: 10.1002/aenm.202003990

https://doi.org/10.1002/aenm.202003990